如(rú)何使超聲(shēng)波設計中(zhong)應用及擴(kuo)充

1 智(zhì)能超聲波(bo)距離提示(shì)器

1． 1 什麽是(shi)超聲波測(ce)距

超(chāo)聲波是指(zhǐ)超過人的(de)聽覺範圍(wei)以上 (16KHZ)的聲波。近(jin)二、三十年(nián) ,特别(bié)是近十年(nián)來，由于電(diàn)子技術及(jí)壓電陶瓷(ci)材料的發(fa)展㊙️，使超聲(sheng)檢測技術(shu)得到了迅(xùn)速的發展(zhǎn)。超聲🤩技術(shù)是一門以(yi)物理、電子(zǐ)👣、機械、及材(cái)料學爲基(ji)礎的🍓通用(yong)技術之一(yi)⁉️。超聲技術(shù)是通✊過超(chao)聲🌂波産生(shēng)、傳播及接(jie)收的物理(li)過程🌈而完(wan)成的📞。超聲(sheng)波具有聚(jù)束、定向及(jí)反射、透射(she)等特性。

超聲檢(jian)測技術是(shi)利用超聲(shēng)波在媒質(zhì)中的傳播(bo)特性 (聲速、衰減(jiǎn)、反射、聲阻(zu)抗等 )來實現對(duì)非聲學量(liang) (如密(mi)度、濃度、強(qiáng)度、彈性、硬(yìng)度、粘度、溫(wēn)度、流速、流(liu)量、液位、厚(hou)度、缺陷等(děng) )的測(cè)定。它的基(ji)本原理是(shì)基于超聲(shēng)波在介質(zhi)中傳♻️播時(shí)遇到不同(tóng)的界面，将(jiāng)産生反射(she)，折射，繞射(she)，衰減等現(xiàn)象，從而使(shi)🈲傳播的聲(shēng)時，振幅，波(bo)形，頻率等(deng)發生相應(yīng)變化，測定(ding)這些規♍律(lǜ)的變化，便(bian)可得到材(cái)料的某些(xie)性質與内(nèi)部構造情(qing)況。與傳統(tong)超聲技術(shu)*不同♊，新的(de)超聲技術(shu)具有以下(xià)特點：在不(bú)破壞媒質(zhi)特性的情(qing)況下實現(xian)非接觸性(xìng)測量，環境(jìng)适應能力(li)強，可實現(xiàn)在線測量(liang)。

1． 2 超聲波發(fā)生器的種(zhǒng)類

爲(wei)了研究和(hé)利用超聲(sheng)波，人們已(yǐ)經設計和(he)制成了許(xu)多超聲波(bō)📧發生器。總(zong)體上講，超(chao)聲波發生(shēng)器可以㊙️分(fèn)爲兩大類(lèi)：一類是用(yòng)電器方式(shì)産生超聲(shēng)波，一類是(shi)用機🈲械方(fāng)式産生超(chāo)聲波，電器(qì)方式❤️包括(kuo)壓電型🌈，磁(ci)緻伸縮型(xíng)和電動型(xing)等；機械方(fang)式有加爾(er)統笛，液哨(shào)和氣流旋(xuán)笛等。它們(men)所産生的(de)超聲波的(de)頻率，功率(lǜ)和聲波特(te)性各不相(xiang)同，因而🌈用(yong)途也各不(bú)相同。目前(qián)較爲常用(yòng)的是壓電(diàn)式🌍超聲波(bo)發生器。雅(yǎ)典市超聲(shēng)波發生器(qi)實際上是(shi)利用壓電(diàn)晶體的諧(xie)振來工作(zuò)的。

它(tā)有兩個壓(ya)電晶片和(hé)一個共振(zhèn)闆。當它的(de)兩極外加(jiā)脈沖信号(hao)，其頻率等(deng)于壓電晶(jīng)片的固有(you)震蕩頻率(lǜ)時🐆，壓電晶(jīng)片将會發(fa)生共振，并(bing)帶動共振(zhen)闆振動，便(biàn)産生超聲(sheng)波。反之，如(rú)果兩電極(jí)間外👣未加(jia)電壓，當共(gong)振闆接🛀受(shòu)到超聲波(bō)時，将壓迫(pò)壓電晶片(pian)做震動👨‍❤️‍👨，将(jiāng)機械能轉(zhuan)☂️換爲點信(xin)号，這時它(ta)就成爲超(chao)聲波接受(shòu)器了。

2 研究的意(yi)義

2.1 超(chao)聲波用于(yú)距離測量(liàng)的優勢

由于超(chao)聲波頻率(lü)較高，沿直(zhi)線傳播，繞(rào)射小，穿透(tòu)力🐅強，指向(xiàng)🔴性強，傳輸(shū)過程中衰(shuāi)減少，能量(liang)消耗緩慢(man)，在✌️介質中(zhōng)傳播的距(jù)離較遠，遇(yu)到雜質或(huo)分界面時(shi)會産生反(fan)射波，因而(ér)超聲🏃🏻波經(jing)常用于距(jù)離的測量(liang)。超聲波有(yǒu)兩⛹🏻‍♀️個特點(dian)，一♈個是能(neng)量大，一個(gè)是沿直線(xian)傳🏃🏻‍♂️播，它的(de)應用就是(shì)按照這兩(liǎng)個特點展(zhan)開的。

超聲波與(yǔ)一般聲波(bo)比較，它的(de)振動頻率(lü)高，而且波(bo)長短，因而(ér)具有束射(she)特性，方向(xiang)性強，可以(yǐ)定向傳播(bō)，其能量遠(yuan)遠大于振(zhèn)幅相同的(de)一般聲波(bō)，并且具有(yǒu)很高的穿(chuān)透能力。

2.2 研究的(de)意義

本設計采(cǎi)用單片機(ji)來實現智(zhì)能超聲波(bō)測距，雖其(qi)在🚩功能上(shàng)是不能與(yu)商品的，高(gao)精度的智(zhi)能超聲波(bo)測距儀相(xiang)比的，但優(you)點在于系(xi)統規模較(jiào)小，器件更(geng)換容易，成(cheng)本低，有一(yi)定靈活性(xing)。但不适💔宜(yí)用于測量(liàng)過于或者(zhě)過大的距(jù)💛離，容易産(chan)生誤差。

3 研究的(de)關鍵技術(shu)

3.1 頻率(lü)發生

本設計中(zhōng)共用到了(le)兩個重要(yao)的頻率 ,爲了實(shí)現輸出頻(pín)率的性 ,在設計(ji)時用到了(le)單片機 ,因爲頻(pin)率發生電(diàn)路是整個(ge)電路的核(he)心 ,有(you)單片機發(fā)生的頻率(lü)必須準确(que) ,否則(ze)測得的距(jù)離顯示會(huì)産生很大(dà)誤差。在考(kǎo)慮整體方(fāng)案的時候(hòu)，也想到用(yong)一片單片(piàn)集成電路(lu)來完👈成頻(pín)率信号的(de)産生及其(qí)分類工作(zuo)，也*可以實(shí)現電路的(de)功能，但是(shi)要想實現(xian)高精✉️度要(yao)求，有些困(kùn)難。zui後還是(shì)選擇用單(dan)片機㊙️來完(wan)成頻率的(de)産生工作(zuò)。

*個頻(pin)率，超聲波(bō)的發射中(zhong)心頻率，信(xin)号本來就(jiu)是 40kHz，并(bing)由單片機(ji)的 P3． 0口輸出(chu)。這是由單(dān)片機内部(bù)的定時器(qì)由軟件編(biān)程所産生(shēng)，具體需要(yao)由程序來(lái)設定。

第二個頻(pín)率就是單(dān)片機進行(hang)數碼顯示(shì)的計數頻(pín)率，在計算(suan)之前首先(xiān)要明确我(wo)們要設計(ji)的超聲波(bō)測距精度(du)💜是多少，而(er)在本設計(jì)中，設計精(jing)度爲 lcm，也是 0.01m，超聲波發(fā)射器的聲(sheng)波傳播到(dao)反射物，再(zài)由反射物(wù)🐅反射到接(jiē)收器，所傳(chuan)播的距離(li)爲 2倍(bei)測量距離(lí)，而大家知(zhi)道，聲波在(zai)标準氣壓(yā)下 15℃的(de)傳播速度(dù)爲 341m／ s，因此，我(wǒ)們要設計(ji)成在一個(gè)時鍾周期(qī)内超聲波(bō)所傳播的(de)距🐪離爲 0.02mm，這樣便(bian)可以計算(suàn)出定時器(qì)的溢出頻(pín)率是 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是 17.05kHz，這樣在(zai)一個時鍾(zhong)周期内所(suǒ)測的距離(li)便爲 0.01m。 N個周(zhou)期所測的(de)距離爲 N×； 0.01m， N個周期(qī)有 N個(ge)方脈沖，也(ye)就是說，計(ji)數器測得(dé)的脈沖數(shù) N即爲(wei)被測距離(li)，不過其單(dān)位爲 0.01m，因此應把(bǎ)計數顯示(shi)器的小數(shu)點點在百(bai)位數和個(ge)位㊙️數之問(wèn)📞，那麽示值(zhi)是以“米"爲(wei)單位，其zui大(da)顯示值爲(wèi)🌈 9.99m。

4 設計方案(an)

4.1 實現(xian)功能

本設計主(zhǔ)要的實現(xiàn)功能如下(xià)：

由單(dān)片機産生(sheng)頻率爲 40kHz的方波(bo)脈沖信号(hao)，超聲波發(fā)射端發出(chu)信号，遇到(dào)障礙😄物♻️返(fǎn)回，被接收(shōu)端接收到(dào)。由單片機(jī)計算出探(tàn)頭🌈與障礙(ài)物之間的(de)距離，這就(jiù)是被測距(ju)離。

技(ji)術指标：

設計精(jīng)度爲 lcm，也就是 0.0lm。可測量(liàng)距離由 0m至 9.99m。

4.2 系統(tǒng)結構

系統的基(ji)本組成包(bāo)括：單片機(jī) (89C2051)， LCD(數碼管顯(xian)示 )，集(jí)成運放 (CX20106)，集成放(fàng)大器 (LM386)，超聲波發(fa)射，接收探(tan)頭。

4.3 系(xi)統方案

要使整(zhěng)個系統能(néng)夠正常、順(shùn)利的工作(zuo)，就得有一(yi)個好的硬(yìng)件和軟件(jiàn)。

本方(fang)案以單片(pian)機 ATMEL 89C2051爲(wei)核心，通過(guo)對其進行(háng)軟件編程(cheng)，實現該單(dān)片機對其(qi)外圍電路(lù)的适時控(kòng)制，并提供(gong)給外圍電(dian)路各種所(suǒ)需的信号(hào)，包括頻率(lü)振蕩信号(hào)、數據處理(li)信号等🈲等(děng)，大大簡化(huà)了外圍電(dian)路的設計(ji)難度，同時(shi)更重要的(de)是該種設(she)計方案大(dà)大節省👅了(le)設計成🐆本(ben)，并且由于(yu)是采用軟(ruan)件編程技(jì)術，所以其(qí)移植🔴性能(neng)好，在設🈚計(jì)電路時可(kě)以㊙️将其他(tā)更多的👄功(gong)能設計進(jìn)去，而我們(men)在設計電(dian)路闆時就(jiù)可以根據(jù)自己的設(shè)計目的焊(han)接元件。

在初始(shǐ)方案設計(jì)時，我打算(suan)在超聲波(bo)發射端使(shi)用 RS觸(chù)發器 CD4013作爲門控(kòng)電路，當 R=1； (S=0)時(shi)複位，即 Q=0； S=l(R=0)時(shí)置位，當上(shàng)電複位時(shi)， D觸發(fā)器 CD4013的(de) Q腳輸(shu)出低電平(ping)加到單片(piàn)機的 P3-3口，不啓動(dòng)内部計數(shu)器，處于等(děng)待狀态。

在超聲(shēng)波接收端(duan)設計了一(yī)個信号放(fàng)大電路，采(cai)用兩級同(tóng)相交流放(fàng)大器，通過(guò)參數設置(zhi)，每一級放(fàng)大了約 20倍，這樣(yang)經過兩級(ji)放大後，接(jiē)收到的超(chāo)聲波信号(hào)就被放大(dà)了幾乎是(shì) 400倍，完(wan)夠被後續(xu)檢測電路(lu)檢測到。接(jie)收傳感器(qì) L2将反(fan)射的超聲(shēng)波轉換爲(wei)電信号後(hòu)，由放大器(qi)放大後再(zai)送到由 U1B、 U1C等(deng)組成的斯(sī)密特整形(xing)電路整理(li)成規範的(de)方脈沖。電(diàn)🔞阻💞 R11和(he)電位器 R12爲同相(xiàng)端提供直(zhí)流偏置電(dian)位。需要注(zhu)意的是這(zhè)兩個直流(liu)偏🤩置電阻(zu)的作用是(shi)相當重要(yao)的，它可以(yǐ)很♋好地穩(wen)定運放 A741的直流(liú)工作點，不(bú)緻于使其(qi)同相輸入(rù)端出現浮(fu)動狀态，而(ér)造成輸入(ru)信号不穩(wěn)定。

由(yóu)于本超聲(sheng)波測距系(xi)統精度要(yào)求是 lcm，故本人在(zài)進行距離(li)顯示電路(lù)部分的設(shè)計時用到(dào)✔️了三個數(shu)碼管，其可(kě)以顯示範(fàn)圍爲 0． Olm至 9． 99m，爲(wèi)了節省硬(ying)件開銷，本(běn)距離顯示(shi)電路沒有(yǒu)使用譯碼(mǎ)器，而是直(zhi)接有效地(di)利用了單(dan)片機的有(yǒu)限端口來(lai)進行譯碼(ma)顯示，但是(shi)zui後由于仍(réng)然缺少一(yī)個端口，故(gù)用到了一(yī)個🌈二一四(si)譯碼器 74LS139。

經(jing)過老師指(zhi)導，對初始(shǐ)設計方案(an)進行修改(gǎi)，将原超聲(sheng)波發射電(dian)路改成用(yòng)芯片 LM386發射，不使(shi)用原有的(de)門控電路(lù)。原超聲波(bō)接收電路(lu)改成用集(ji)成💚 CX20106，省(shěng)掉了之前(qián)的放大電(diàn)路。由于采(cai)取了系統(tong)優化方案(an)，大大節省(sheng)👌了單片機(jī)的接口，原(yuán)本因爲單(dan)片機機接(jie)口不夠而(ér)擴展的 74LS139芯片被(bei)省略，數碼(ma)管位選直(zhí)接接在單(dan)片機接口(kou)上。這些優(yōu)化大大簡(jian)化了設計(ji)的複雜度(dù)和焊接時(shi)的困難度(dù)。

在軟(ruǎn)件方面采(cǎi)用 C語(yu)言來編程(cheng)，用 C語(yu)言來編寫(xie)目标系統(tǒng)軟件，會大(dà)大縮短開(kāi)發周期，且(qie)明顯地增(zeng)加軟件的(de)可讀性，便(bian)于改進和(hé)擴充。