如何使超聲波設(she)計中應用及擴充(chong)

1 智能超聲波(bo)距離提示器

1． 1 什麽是超聲(shēng)波測距

超聲(shēng)波是指超過人的(de)聽覺範圍以上 (16KHZ)的聲波。近二、三(san)十年 ,特别是(shi)近十年來，由于電(dian)子技術及壓電陶(tao)瓷材料✍️的發展，使(shǐ)超聲檢測技術得(de)到了迅速的發展(zhan)。超聲技術是一門(men)以物理、電子、機械(xie)、及材料學爲基礎(chu)的🚶‍♀️通用技術之一(yi)。超聲技術是通過(guo)超聲波産生、傳播(bo)✌️及接收的🙇‍♀️物理過(guo)程而完成的🐆。超聲(sheng)波具有聚束、定✉️向(xiàng)及反射、透射等特(tè)性。

超聲檢測(cè)技術是利用超聲(sheng)波在媒質中的傳(chuán)播特🔞性 (聲速(su)、衰減、反射、聲阻抗(kang)等 )來實現對(duì)非聲學量 (如(rú)密度、濃度、強度、彈(dan)性、硬度、粘度、溫度(dù)、流速、流量、液位、厚(hòu)度、缺陷等 )的(de)測定。它的基本原(yuán)理是基于超聲波(bo)在介質中傳播時(shí)遇到不同的界面(miàn)，将産生反射，折射(shè)，繞射，衰減等現象(xiàng)，從而使🍓傳播的聲(shēng)時，振幅，波形，頻率(lǜ)等發生🥵相應變✂️化(huà)，測定這些規🌈律的(de)變化，便可得到材(cái)料的某些性質與(yǔ)内部構造情況。與(yǔ)傳統超聲技術*不(bú)同✂️，新的超聲技術(shù)具有以下特點：在(zai)不破壞媒質特性(xìng)🔱的情況下實現非(fei)接觸性測量，環境(jìng)适應能力強，可實(shi)現在線🔞測量。

1． 2 超聲波發生(shēng)器的種類

爲(wei)了研究和利用超(chāo)聲波，人們已經設(she)計和制成了許多(duo)超聲🌈波⛹🏻‍♀️發生器。總(zong)體上講，超聲波發(fā)生器可以分爲兩(liang)大類：一類是用電(diàn)器方式産生超聲(sheng)波，一類是用機械(xie)方式産生超聲波(bo)，電器方式⛹🏻‍♀️包括壓(yā)電型，磁緻伸縮型(xing)和電動型等；機械(xie)方式有加❓爾統笛(di)，液🔞哨和氣流旋🏃‍♂️笛(dí)等。它們所産生的(de)超聲波的頻率，功(gong)率和聲波特性各(ge)不相同，因而用途(tu)也各不相同。目前(qian)較爲常用的是壓(yā)電式超聲波發🌍生(shēng)器。雅典市超聲波(bo)發生器實際上是(shi)利用壓電晶體的(de)諧振來工作的。

它有兩個壓電(dian)晶片和一個共振(zhen)闆。當它的兩極外(wai)加脈沖信号，其頻(pin)率等于壓電晶片(pian)的固有震蕩頻率(lü)時，壓電晶片将會(huì)👉發生共振，并帶動(dong)共振闆振動，便産(chan)生超聲波。反之，如(rú)果兩電極間外未(wei)加電壓，當共振闆(pan)接受到超聲波時(shi)，将壓迫壓電晶片(pian)做震動🥰，将機械能(neng)轉換爲點信号，這(zhe)時它就成爲超聲(shēng)波接受器了。

2 研究的意義

2.1 超聲波用于距離(lí)測量的優勢

由于超聲波頻率(lü)較高，沿直線傳播(bō)，繞射小，穿透力🏃🏻強(qiáng)，指向性❌強，傳輸過(guò)程中衰減少，能量(liang)消耗緩慢，在介質(zhi)中傳播的🥰距離較(jiào)遠，遇到雜質或分(fen)界面時會🌈産生反(fan)射波，因而超聲波(bo)經常用于距離的(de)測量。超聲波有兩(liǎng)🈚個特點，一個是能(néng)量㊙️大，一個是沿直(zhí)線傳♈播，它的應用(yong)就是按照這兩個(gè)特點展開的。

超聲波與一般聲(sheng)波比較，它的振動(dong)頻率高，而且波長(zhang)短，因而具有束射(shè)特性，方向性強，可(kě)以定向傳播，其能(neng)量遠遠大于振📞幅(fu)相同的一般聲波(bo)，并且具有㊙️很高的(de)穿透能力。

2.2 研(yán)究的意義

本(ben)設計采用單片機(ji)來實現智能超聲(sheng)波測距，雖其在功(gōng)能上是不能與商(shang)品的，高精度的智(zhì)能超聲波測距儀(yi)相比的，但優點在(zai)于系統規模較小(xiao)，器件更換容易💛，成(chéng)本低，有一定✏️靈活(huó)性🙇🏻。但不适宜用于(yu)測量過于或者過(guo)大的距離，容易産(chǎn)生誤差。

3 研究(jiu)的關鍵技術

3.1 頻率發生

本(běn)設計中共用到了(le)兩個重要的頻率(lü) ,爲了實現輸(shu)出頻率的性 ,在設計時用到了(le)單片機 ,因爲(wèi)頻率發生電路是(shi)整個電路的核心(xin) ,有單片機發(fa)生的頻率必須準(zhǔn)确 ,否則測得(dé)的距離顯示會産(chǎn)生很大誤差。在考(kao)慮整🌈體方案♋的時(shí)候，也想到用一片(piàn)單片集成電路來(lai)完成頻率信号的(de)産生及其🚩分類工(gōng)作，也*可以實現電(dian)路的功能，但是要(yào)想實現高精度要(yao)求，有些困難。zui後還(hai)是選擇用單片機(jī)來完成頻率的産(chan)生工作。

*個頻(pin)率，超聲波的發射(she)中心頻率，信号本(běn)來就是 40kHz，并由(you)單片機的 P3． 0口輸出。這是由(you)單片機内部的定(dìng)時器由軟件編程(chéng)所✨産生，具體需要(yào)由程序來設定。

第二個頻率就(jiu)是單片機進行數(shu)碼顯示的計數頻(pín)率，在計算☔之前首(shou)先要明确我們要(yào)設計的超聲波測(cè)距精度是多少，而(ér)在本設計中，設計(jì)精度爲 lcm，也是(shì) 0.01m，超聲波發射(shè)器的聲波傳播到(dào)反射物，再由反射(she)物反射到🌈接收器(qì)，所傳播的距離爲(wèi) 2倍測量距離(lí)，而大家知道，聲波(bō)在标準氣壓下 15℃的傳播速度爲(wèi) 341m／ s，因此，我(wo)們要設計成在一(yi)個時鍾周期内超(chāo)聲波所🔞傳播的距(jù)離爲 0.02mm，這樣便(bian)可以計算出定時(shi)器的溢出頻率是(shì) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也(yě)就是 17.05kHz，這樣在(zai)一個時鍾周期内(nèi)所測的距離便爲(wei) 0.01m。 N個周期(qi)所測的距離爲 N×； 0.01m， N個周(zhōu)期有 N個方脈(mo)沖，也就是說，計數(shu)器測得的脈沖數(shu) N即爲被測距(jù)離，不過其單位爲(wei) 0.01m，因此應把計(ji)數顯示器的小數(shu)點點在百位數和(hé)個位數之問💃，那麽(me)示值是以“米"爲單(dan)位，其zui大顯示值爲(wei) 9.99m。

4 設計方(fāng)案

4.1 實現功能(néng)

本設計主要(yào)的實現功能如下(xia)：

由單片機産(chǎn)生頻率爲 40kHz的(de)方波脈沖信号，超(chao)聲波發射端發出(chu)信号，遇到障礙物(wù)返回，被接收端接(jie)收到。由單片機計(jì)算出探頭與障礙(ai)物之間的距離，這(zhè)🥵就是被測距離。

技術指标：

設計精度爲 lcm，也就是 0.0lm。可測(ce)量距離由 0m至(zhì) 9.99m。

4.2 系統結(jie)構

系統的基(jī)本組成包括：單片(pian)機 (89C2051)， LCD(數碼(mǎ)管顯示 )，集成(chéng)運放 (CX20106)，集成放(fang)大器 (LM386)，超聲波(bo)發射，接收探頭。

4.3 系統方案

要使整個系統能(néng)夠正常、順利的工(gong)作，就得有一個好(hǎo)的硬件和🤩軟件。

本方案以單片(piàn)機 ATMEL 89C2051爲核心，通(tong)過對其進行軟件(jian)編程，實現該單片(pian)機對其外圍電路(lù)♈的适時控制，并提(tí)供給外圍電路各(gè)種所需的信号，包(bao)括頻率振蕩信号(hào)、數據處理信号等(děng)等，大大簡化了📱外(wai)圍電路的設計難(nán)度，同時更重要的(de)是該種設計方案(an)大大節省♍了設計(jì)成本，并且由于是(shì)采用軟件編程技(ji)術，所以其移植性(xìng)能好，在設計電路(lù)時可以将其他更(gèng)多的功能設計進(jìn)去，而我們在設計(ji)電路闆時就可以(yi)根據自己的設計(jì)目的焊接元件。

在初始方案設(shè)計時，我打算在超(chāo)聲波發射端使用(yong) RS觸發器 CD4013作爲門控電路，當(dang) R=1； (S=0)時複位(wei)，即 Q=0； S=l(R=0)時置(zhì)位，當上電複位時(shi)， D觸發器 CD4013的 Q腳輸出低(dī)電平加到單片機(jī)的 P3-3口，不啓動(dong)内部計數器，處于(yu)等待狀态。

在(zai)超聲波接收端設(she)計了一個信号放(fàng)大電路，采用兩級(ji)同相交流放大器(qì)，通過參數設置，每(měi)一級放大了約 20倍，這樣經過兩(liǎng)級放大後，接收到(dào)的超聲波信号就(jiu)被放大了幾乎是(shi) 400倍，完夠被後(hou)續檢測電路檢測(cè)到。接收傳感器 L2将反射的超聲(sheng)波轉換爲電信号(hao)後，由放大器放大(da)後再送到㊙️由 U1B、 U1C等組成的斯(si)密特整形電路整(zhěng)理成規範的方脈(mò)沖。電阻 R11和電(dian)位器 R12爲同相(xiang)端提供直流偏置(zhì)電位。需要注意的(de)是這兩個直⚽流偏(pian)✏️置電阻的作用是(shi)相當重要的，它可(ke)以很好地穩定運(yùn)放 A741的直流工(gong)作點，不緻于使其(qi)同相輸入端出現(xian)浮動狀态🌂，而造成(chéng)輸入信号不穩定(dìng)。

由于本超聲(shēng)波測距系統精度(du)要求是 lcm，故本(běn)人在進行距離顯(xiǎn)示電路部分的設(she)計時用到了👅三個(ge)數碼㊙️管，其可以顯(xiǎn)示範圍爲 0． Olm至 9． 99m，爲(wei)了節省硬件開銷(xiao)，本距離顯示電路(lu)沒有使用譯碼器(qì)，而是直接有效地(dì)利用了單片機的(de)有限端口來進行(hang)譯碼顯示，但是zui後(hòu)由于仍然缺少一(yī)個端口♉，故用到👉了(le)一個☔二一四🙇‍♀️譯碼(mǎ)器 74LS139。

經過(guò)老師指導，對初始(shi)設計方案進行修(xiū)改，将原超聲波發(fa)射🐕電💁路改成用芯(xin)片 LM386發射，不使(shi)用原有的門控電(diàn)路。原超聲波接收(shōu)電路改成用集成(chéng) CX20106，省掉了之前(qian)的放大電路。由于(yu)采取了系統優化(hua)方案，大大節省了(le)單片機的接口，原(yuán)本因爲單片機機(ji)接口不夠而擴展(zhan)的🌈 74LS139芯片被省(shěng)略，數碼管位選直(zhí)接接在單片機接(jie)口上。這些🆚優化✔️大(da)大簡化了設計的(de)複雜度和焊接時(shi)的困難度。

在(zai)軟件方面采用 C語言來編程，用(yòng) C語言來編寫(xie)目标系統軟件，會(hui)大大縮短開發周(zhōu)期，且🈚明顯地增加(jia)軟件的可讀性，便(biàn)于改進和擴充。