如何(hé)使超聲(shēng)波設計(jì)中應用(yong)及擴充(chōng)

1 智(zhi)能超聲(shēng)波距離(lí)提示器(qi)

1． 1 什麽(me)是超聲(sheng)波測距(ju)

超(chāo)聲波是(shi)指超過(guò)人的聽(ting)覺範圍(wei)以上 (16KHZ)的聲(shēng)波。近二(èr)、三十年(nian) ,特(te)别是近(jin)十年來(lái)，由于電(dian)子技術(shù)及壓電(dian)陶瓷材(cai)料的發(fa)展，使超(chāo)聲檢測(cè)技術得(dé)到了迅(xùn)速的發(fā)展。超聲(sheng)技術是(shi)一門以(yi)物理🐇、電(diàn)子、機械(xiè)、及材料(liao)學爲基(jī)礎的通(tōng)用技術(shù)之一。超(chāo)聲技術(shu)是通過(guo)超聲波(bo)産生、傳(chuan)播及接(jiē)收的物(wù)理過程(chéng)💋而完成(cheng)的。超聲(sheng)波具有(yǒu)聚束、定(dìng)向及反(fǎn)射、透射(shè)等特性(xìng)。

超(chāo)聲檢測(cè)技術是(shi)利用超(chāo)聲波在(zài)媒質中(zhōng)的傳播(bō)特性 (聲速(su)、衰減、反(fan)射、聲阻(zu)抗等 )來實(shí)現對非(fēi)聲學量(liàng) (如(ru)密度、濃(nóng)度、強度(dù)、彈性、硬(ying)度、粘度(du)、溫度、流(liú)速、流量(liàng)、液位、厚(hou)度🥰、缺陷(xiàn)等 )的測定(ding)。它的基(ji)本原理(lǐ)是基于(yú)超聲波(bō)在介質(zhì)中傳播(bo)時遇到(dào)不同的(de)界面，将(jiāng)産生反(fǎn)射，折射(shè)，繞射，衰(shuai)減等現(xiàn)象，從而(er)使傳播(bo)的聲時(shi)，振幅，波(bo)形，頻率(lǜ)等發生(shēng)相應變(biàn)化，測定(dìng)這些規(gui)律的變(bian)化，便可(ke)得到材(cái)料的某(mǒu)些性質(zhì)與内部(bu)構造情(qíng)況。與傳(chuan)統超聲(shēng)技術*不(bu)同，新的(de)超聲技(ji)💋術具有(you)以下特(tè)點：在不(bu)破壞媒(mei)質特性(xìng)的情況(kuàng)下實☁️現(xiàn)非接觸(chu)性測量(liàng)，環境适(shi)應能力(li)強，可㊙️實(shi)現在線(xiàn)測量。

1． 2 超聲波(bō)發生器(qì)的種類(lèi)

爲(wei)了研究(jiu)和利用(yong)超聲波(bo)，人們已(yǐ)經設計(jì)和制成(chéng)了許多(duō)超聲波(bō)💁發生器(qì)。總體上(shàng)講，超聲(sheng)波發生(shēng)器可以(yǐ)分爲兩(liang)大類：一(yī)類是♌用(yòng)電💚器方(fang)式産生(sheng)超聲波(bō)，一類是(shì)用機械(xie)方式産(chan)生超☀️聲(shēng)波，電器(qi)方式包(bao)括壓電(dian)型🔞，磁緻(zhì)伸縮型(xíng)和電動(dòng)🥵型等；機(ji)械方式(shi)有加爾(er)統笛，液(ye)哨和氣(qi)流旋笛(di)等。它們(men)所産生(sheng)的超聲(sheng)波的頻(pin)率，功⚽率(lǜ)和聲波(bō)特性各(gè)不相同(tong)，因而用(yòng)途也各(gè)不相同(tóng)。目㊙️前較(jiao)爲常🐉用(yòng)的是壓(ya)電式超(chāo)聲波發(fa)🤩生器。雅(ya)典市超(chāo)🚶‍♀️聲波發(fā)生器實(shí)際上是(shì)利用壓(yā)電晶體(ti)的諧振(zhèn)來工作(zuo)的。

它有兩(liang)個壓電(diàn)晶片和(he)一個共(gong)振闆。當(dang)它的兩(liǎng)極外加(jia)脈沖信(xin)号，其頻(pín)率等于(yu)壓電晶(jing)片的固(gù)有震蕩(dàng)頻率時(shi)，壓電晶(jīng)片将會(hui)發生共(gong)振，并帶(dai)動共振(zhèn)闆振動(dòng)🍉，便産生(sheng)超聲波(bō)💁。反之，如(ru)果兩電(dian)極間外(wai)💯未加電(diàn)壓，當共(gong)振闆接(jie)受到超(chāo)聲波時(shi)，将壓迫(po)壓電晶(jing)片做震(zhèn)動💞，将機(ji)械能轉(zhuan)換爲點(dian)信号，這(zhe)時它就(jiù)成爲超(chao)聲波接(jiē)受器了(le)。

2 研(yán)究的意(yì)義

2.1 超聲波(bo)用于距(jù)離測量(liang)的優勢(shì)

由(yóu)于超聲(shēng)波頻率(lü)較高，沿(yán)直線傳(chuan)播，繞射(shè)小，穿透(tou)力強，指(zhǐ)向性強(qiáng)，傳輸過(guo)程中衰(shuai)減少，能(néng)量消耗(hào)緩慢，在(zai)介質中(zhōng)傳播的(de)距離較(jiào)遠，遇到(dao)雜質或(huò)分界面(miàn)時會産(chan)生反射(she)波，因而(ér)超聲波(bo)經常用(yong)于距離(li)的測量(liang)。超聲波(bo)有兩個(ge)特點，一(yī)🎯個是能(neng)量大，一(yi)個是沿(yán)直線傳(chuan)播，它的(de)應用就(jiu)是按照(zhào)這兩個(ge)特點展(zhǎn)開的。

超聲(sheng)波與一(yī)般聲波(bo)比較，它(ta)的振動(dòng)頻率高(gāo)，而且波(bo)長短，因(yin)而具有(you)束射特(te)性，方向(xiàng)性強，可(ke)以定向(xiàng)傳播，其(qí)能🛀🏻量遠(yuǎn)遠大于(yu)振幅相(xiang)🌈同的一(yi)般聲波(bo)，并且具(ju)有很高(gāo)的穿透(tou)能力。

2.2 研究(jiū)的意義(yi)

本(ben)設計采(cai)用單片(piàn)機來實(shí)現智能(neng)超聲波(bō)測距，雖(sui)其🥵在功(gong)能上是(shi)不能與(yu)商品的(de)，高精度(dù)的智能(néng)超聲波(bo)測距儀(yí)相比的(de)🐪，但優點(dian)在于系(xì)統規模(mo)較小，器(qi)件更換(huan)容易，成(chéng)本低，有(you)一定靈(ling)活性。但(dan)不适宜(yi)用于測(cè)量過于(yú)或者過(guò)大的距(jù)離，容易(yi)産生誤(wu)差。

3 研究的(de)關鍵技(jì)術

3.1 頻率發(fa)生

本設計(jì)中共用(yòng)到了兩(liǎng)個重要(yao)的頻率(lü) ,爲(wèi)了實現(xian)輸出頻(pin)率的性(xìng) ,在(zài)設計時(shí)用到了(le)單片機(ji) ,因(yin)爲頻率(lǜ)發生電(dian)路是整(zhěng)個電路(lu)的核心(xīn) ,有(yǒu)單片機(ji)發生的(de)頻率必(bì)須準确(que) ,否(fǒu)則測得(dé)的距離(li)顯示會(huì)産生很(hen)大誤差(cha)。在考慮(lǜ)整體方(fang)案的時(shí)候，也想(xiang)到用一(yī)片單片(piàn)集成電(dian)路來完(wán)成頻率(lü)信号的(de)産生及(jí)其分類(lèi)工作，也(ye)*可以實(shí)現電☎️路(lu)的功能(néng)，但是要(yào)想實現(xian)高精度(dù)要求，有(yǒu)些困難(nán)。zui後還是(shì)選擇用(yong)單片機(ji)來完成(chéng)頻率的(de)産生工(gong)作。

*個頻率(lü)，超聲波(bō)的發射(she)中心頻(pin)率，信号(hào)本來就(jiu)是 40kHz，并由單(dān)片機的(de) P3． 0口輸(shū)出。這是(shi)由單片(pian)機内部(bù)的定時(shi)器由軟(ruǎn)件編程(chéng)所🌏産生(shēng)，具體需(xu)要由程(chéng)序來設(she)定。

第二個(ge)頻率就(jiù)是單片(pian)機進行(háng)數碼顯(xian)示的計(ji)數頻率(lǜ)，在🍉計算(suan)之前首(shǒu)先要明(ming)确我們(men)要設計(jì)的超聲(sheng)波測距(ju)精度是(shi)多少，而(er)在本設(shè)計中，設(shè)計精度(du)爲 lcm，也是 0.01m，超聲(shēng)波發射(she)器的聲(shēng)波傳播(bō)到反射(she)物，再由(yóu)反射物(wu)反🔅射到(dao)接收器(qi)，所傳播(bo)的距離(li)爲 2倍測量(liang)距離，而(er)大家知(zhī)道，聲波(bo)在标準(zhun)氣壓下(xia) 15℃的(de)傳播速(sù)度爲 341m／ s，因此，我(wǒ)們要設(shè)計成在(zai)一個時(shí)鍾周期(qī)内超聲(shēng)波所🚶‍♀️傳(chuán)播的距(jù)離爲 0.02mm，這樣(yàng)便可以(yǐ)計算出(chu)定時器(qi)的溢出(chu)頻率是(shì) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是(shì) 17.05kHz，這(zhe)樣在一(yī)個時鍾(zhong)周期内(nei)所測的(de)距離便(bian)爲 0.01m。 N個(ge)周期所(suǒ)測的距(ju)離爲 N×； 0.01m， N個(gè)周期有(you) N個(gè)方脈沖(chòng)，也就是(shì)說，計數(shu)器測得(dé)的脈沖(chòng)數 N即爲被(bei)測距離(li)，不過其(qí)單位爲(wèi) 0.01m，因(yin)此應把(ba)計數顯(xiǎn)示器的(de)小數點(dian)點在百(bǎi)位數和(he)個位數(shù)♍之問，那(nà)麽示值(zhí)是以“米(mi)"爲單位(wèi)，其zui大顯(xian)示值爲(wèi) 9.99m。

4 設計(jì)方案

4.1 實現(xian)功能

本設(she)計主要(yào)的實現(xiàn)功能如(rú)下：

由單片(pian)機産生(sheng)頻率爲(wèi) 40kHz的(de)方波脈(mò)沖信号(hào)，超聲波(bo)發射端(duan)發出信(xìn)号，遇到(dào)障💔礙物(wù)返回🌈，被(bèi)🔞接收端(duān)接收到(dao)。由單片(piàn)機計算(suàn)出探頭(tóu)與障礙(ài)物之間(jiān)的距⚽離(li)，這🌐就是(shì)被測距(ju)離。

技術指(zhi)标：

設計精(jing)度爲 lcm，也就(jiu)是 0.0lm。可測量(liàng)距離由(yóu) 0m至(zhi) 9.99m。

4.2 系統(tong)結構

系統(tǒng)的基本(ben)組成包(bāo)括：單片(pian)機 (89C2051)， LCD(數(shu)碼管顯(xiǎn)示 )，集成運(yùn)放 (CX20106)，集成放(fàng)大器 (LM386)，超聲(shēng)波發射(she)，接收探(tan)頭。

4.3 系統方(fāng)案

要使整(zheng)個系統(tong)能夠正(zheng)常、順利(li)的工作(zuo)，就得有(yǒu)一個好(hao)的⛹🏻‍♀️硬件(jian)和㊙️軟件(jian)。

本(ben)方案以(yǐ)單片機(jī) ATMEL 89C2051爲(wei)核心，通(tōng)過對其(qi)進行軟(ruan)件編程(cheng)，實現該(gai)單片機(ji)對其外(wai)圍電路(lù)的适時(shí)控制，并(bìng)提供給(gěi)外圍電(dian)路各種(zhong)所需的(de)信号，包(bao)括頻率(lü)振蕩信(xìn)号、數據(ju)處理信(xìn)号等等(deng)，大大簡(jian)化了外(wai)圍電路(lù)的設♌計(ji)難度，同(tong)時更重(zhong)要的是(shì)該種設(shè)計方案(an)大大節(jiē)省了設(she)計成本(běn)，并且由(you)于是采(cai)用軟件(jiàn)編程技(jì)術，所以(yi)其移植(zhi)性能好(hao)，在設❓計(jì)電路時(shi)可以将(jiang)其他更(geng)多的功(gong)能設計(ji)進去，而(er)我們在(zai)設計電(diàn)路闆時(shí)就可以(yǐ)根據自(zi)己的設(shè)計目的(de)焊接元(yuan)件。

在初始(shi)方案設(she)計時，我(wǒ)打算在(zai)超聲波(bō)發射端(duan)使用 RS觸發(fa)器 CD4013作爲門(mén)控電路(lu)，當 R=1； (S=0)時(shí)複位，即(ji) Q=0； S=l(R=0)時置(zhì)位，當上(shang)電複位(wèi)時， D觸發器(qi) CD4013的(de) Q腳(jiao)輸出低(dī)電平加(jia)到單片(pian)機的 P3-3口，不(bu)啓動内(nei)部計數(shù)器，處于(yu)等待狀(zhuang)态。

在超聲(shēng)波接收(shōu)端設計(ji)了一個(gè)信号放(fang)大電路(lù)，采用兩(liǎng)級⭐同❗相(xiàng)交流放(fang)大器，通(tong)過參數(shù)設置，每(měi)一級放(fàng)大了約(yuē)⭕ 20倍(bèi)，這樣經(jing)過兩級(jí)放大後(hou)，接收到(dao)的超聲(sheng)波信号(hào)就被放(fang)大⛷️了幾(jǐ)乎是 400倍，完(wán)夠被後(hou)續檢測(cè)電路檢(jiǎn)測到。接(jiē)收傳感(gǎn)器 L2将反射(shè)的超聲(sheng)波轉換(huan)爲電信(xìn)号後，由(you)放大器(qì)放大後(hou)再送到(dào)由 U1B、 U1C等(deng)組成的(de)斯密特(te)整形電(dian)路整理(li)成規範(fan)的方脈(mo)沖🧡。電🔱阻(zǔ)🆚 R11和(he)電位器(qì) R12爲(wèi)同相端(duan)提供直(zhí)流偏置(zhì)電位。需(xu)要注意(yi)的是這(zhè)兩個直(zhi)流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻偏置(zhì)電阻的(de)作用是(shì)相當重(zhòng)要的，它(ta)可以很(hen)好地穩(wěn)定運放(fang) A741的(de)直流工(gong)作點，不(bu)緻于使(shi)其同相(xiang)輸入端(duan)出現浮(fu)動狀态(tài)，而造成(cheng)🔴輸入信(xìn)号不穩(wen)定。

由于本(ben)超聲波(bo)測距系(xi)統精度(du)要求是(shi) lcm，故(gu)本人在(zai)進行距(ju)離顯示(shì)電路部(bù)分的設(shè)計時用(yòng)到了三(san)個數碼(ma)管，其可(ke)以顯示(shì)範圍爲(wei) 0． Olm至 9． 99m，爲了節(jie)省硬件(jian)開銷，本(ben)距離顯(xiǎn)示電路(lu)沒有使(shǐ)用譯碼(mǎ)器，而⚽是(shì)直接有(yǒu)效地利(li)用了單(dān)片機的(de)有限端(duān)口來進(jìn)行譯🌏碼(ma)顯示，但(dàn)📐是zui後由(yóu)于仍然(ran)缺少一(yi)個端口(kǒu)，故用到(dào)👄了一個(gè)二一四(sì)🤞譯碼器(qi) 74LS139。

經過(guo)老師指(zhǐ)導，對初(chū)始設計(jì)方案進(jìn)行修改(gai)，将原超(chao)聲波發(fā)射電路(lù)改成用(yong)芯片 LM386發射(shè)，不使用(yong)原有的(de)門控電(dian)路。原超(chāo)聲波接(jiē)收電路(lu)改⚽成用(yòng)集♉成 CX20106，省掉(diao)了之前(qian)的放大(dà)電路。由(you)于采取(qu)了系統(tong)優化方(fāng)案，大大(da)節省了(le)單片機(jī)的接口(kou)，原本因(yin)爲單片(piàn)機機接(jie)口不夠(gòu)而擴展(zhǎn)的 74LS139芯片被(bèi)省略，數(shù)碼管位(wei)選直接(jiē)接在單(dan)片機接(jie)口上。這(zhe)🙇‍♀️些⭐優💔化(huà)大大簡(jiǎn)化了設(shè)計的複(fu)雜度和(he)焊接時(shi)的🈚困難(nán)度。

在軟件(jian)方面采(cǎi)用 C語言來(lai)編程，用(yòng) C語(yǔ)言來編(bian)寫目标(biāo)系統軟(ruǎn)件，會大(da)大縮短(duǎn)開發周(zhou)期，且明(ming)顯🆚地✨增(zeng)加軟件(jian)的可讀(dú)性，便于(yú)改進和(hé)擴充。