如何使超聲(sheng)波設計中應用(yong)及擴充

1 智(zhì)能超聲波距離(li)提示器

1． 1 什麽是超聲(shēng)波測距

超(chao)聲波是指超過(guo)人的聽覺範圍(wéi)以上 (16KHZ)的聲(sheng)波。近二、三十年(nián) ,特别是近(jin)十年來，由于電(dian)子技術及壓電(dian)陶瓷材料㊙️的發(fā)展，使超聲檢測(cè)技術得到了迅(xùn)速的發展。超聲(sheng)技術是一門以(yǐ)物理、電子、機械(xie)、及材料學爲基(jī)礎的通用技術(shu)之一。超聲技術(shù)是通過超聲波(bō)産生、傳播及接(jie)收的物理過程(cheng)而完成的♻️。超聲(sheng)波具有聚束、定(dìng)向及反射、透射(she)等特性。

超(chāo)聲檢測技術是(shi)利用超聲波在(zài)媒質中的傳播(bō)特性㊙️ (聲速(sù)、衰減、反射、聲阻(zǔ)抗等 )來實(shi)現對非聲學量(liàng) (如密度、濃(nóng)度、強度、彈性、硬(ying)度、粘度、溫度、流(liú)速、流量、液位🔞、厚(hou)度、缺陷等 )的測定。它的基(ji)本原理是基于(yú)超聲波在介質(zhì)中傳播時✌️遇到(dào)不同的界面，将(jiāng)産生反射，折射(she)，繞射，衰減🏒等現(xian)象，從而使傳播(bo)的聲時，振幅，波(bō)形，頻率等發生(sheng)相應變化，測定(dìng)✍️這些規律的變(bian)化，便可得到材(cái)料的某些性質(zhi)與内部構🔞造情(qíng)況。與傳統超聲(shēng)技術*不同，新的(de)超聲技🐉術具有(you)以下特點：在不(bu)破壞媒質特性(xing)的情況下實現(xian)非接觸性測量(liàng)，環境适應能力(lì)強，可實現在線(xian)測量。

1． 2 超聲波發生器(qi)的種類

爲(wèi)了研究和利用(yong)超聲波，人們已(yǐ)經設計和制成(cheng)了許😄多超聲波(bō)發生器。總體上(shàng)講，超聲波發生(shēng)器可以分爲兩(liǎng)大類：一類是用(yòng)電器方式産生(sheng)超聲波，一類是(shì)用機械方式産(chan)生超聲波，電🙇‍♀️器(qi)方式包括壓電(diàn)型🔱，磁緻伸縮型(xíng)和電動型等；機(ji)械☁️方式有加爾(er)統笛，液🔞哨和氣(qi)流旋笛等。它們(men)所産生的超聲(shēng)波的頻率，功率(lü)和聲波特性各(ge)不相同，因而用(yong)途也各不相同(tóng)。目前較爲常用(yòng)的是壓電式超(chao)聲波發生器。雅(ya)典市超聲波發(fa)生器實際上🤞是(shi)利用壓電晶體(ti)🌏的諧振來工🔞作(zuò)的。

它有兩(liang)個壓電晶片和(he)一個共振闆。當(dang)它的兩極外加(jia)脈沖✊信号，其頻(pín)率等于壓電晶(jīng)片的固有震蕩(dàng)頻率時，壓電晶(jing)片🚶‍♀️将會發生共(gòng)振，并帶動共振(zhèn)闆振動，便産生(sheng)超聲波✊。反之，如(rú)果兩電極間外(wài)未加電壓，當共(gòng)振闆接受到超(chāo)聲波時，将壓迫(po)壓電晶🌍片做震(zhèn)動🆚，将機械能轉(zhuan)換爲點信号，這(zhe)時它就成爲超(chao)聲波接受器了(le)。

2 研究的意(yì)義

2.1 超聲波(bo)用于距離測量(liàng)的優勢

由(you)于超聲波頻率(lü)較高，沿直線傳(chuan)播，繞射小，穿透(tou)力強，指向性強(qiáng)📐，傳輸過程中衰(shuai)減少，能量消耗(hào)緩慢，在介質中(zhong)傳播的距離🥰較(jiào)遠，遇到雜質或(huò)分界面時會産(chan)生反📐射波，因☀️而(er)超聲⛷️波經常⁉️用(yòng)于距離的測量(liang)。超聲波有兩個(gè)特點，一個是能(néng)量大，一個是沿(yan)直線傳播，它的(de)應用就是按照(zhào)這兩個特點展(zhǎn)開的。

超聲(shēng)波與一般聲波(bō)比較，它的振動(dong)頻率高，而且波(bō)🚶長短，因而具有(you)束射特性，方向(xiàng)性強，可以定向(xiàng)傳播🈲，其能量遠(yuǎn)遠大于振幅相(xiàng)同的一般聲波(bō)，并且具有很高(gao)的穿透能力。

2.2 研究的意義(yì)

本設計采(cai)用單片機來實(shi)現智能超聲波(bō)測距，雖其在功(gōng)❗能💯上是不能與(yu)商品的，高精度(dù)的智能超聲波(bo)測距儀相🌈比的(de)，但優點在于系(xì)統規模較小，器(qì)件更換容易，成(chéng)本低，有一定靈(líng)活性。但不适宜(yí)用于測量過于(yú)或者過大的距(jù)離，容易産生誤(wù)差。

3 研究的(de)關鍵技術

3.1 頻率發生

本設計中共用(yòng)到了兩個重要(yào)的頻率 ,爲(wei)了實現輸出頻(pín)率的性 ,在(zai)設計時用到了(le)單片機 ,因(yin)爲頻率發生電(dian)路是整個電路(lù)的核心 ,有(you)單片機發生的(de)頻率必須準确(què) ,否則測得(de)的距離顯示會(huì)産生很大誤差(cha)。在考慮整體方(fang)案的時🚩候，也想(xiǎng)到用一片單片(piàn)集成電路來完(wan)成頻🧡率信号的(de)💋産生✨及其分類(lèi)工作，也*可以實(shi)現電路的功能(néng)，但是要想實現(xiàn)高精度要求，有(you)些困難。zui後還是(shi)選擇用單片機(jī)來完成頻率的(de)産生工作。

*個頻率，超聲波(bō)的發射中心頻(pín)率，信号本來就(jiu)是 40kHz，并由單(dan)片機的 P3． 0口輸出。這是(shì)由單片機内部(bu)的定時器由軟(ruǎn)件編程所産生(shēng)，具體需要由程(chéng)序來設定。

第二個頻率就(jiu)是單片機進行(hang)數碼顯示的計(ji)數頻率🌏，在計算(suan)之⛷️前首先要明(ming)确我們要設計(ji)的超聲波測距(jù)精度是多少，而(ér)在本設計中，設(she)計精度爲 lcm，也是 0.01m，超聲(shēng)波發射器的聲(shēng)波傳播到反射(shè)物，再由反射物(wu)✏️反射到接🧑🏽‍🤝‍🧑🏻收器(qi)，所傳播的距離(li)爲 2倍測量(liang)距離，而大家知(zhi)道，聲波在标準(zhǔn)氣壓下 15℃的(de)傳播速度爲 341m／ s，因此，我(wǒ)們要設計成在(zài)一個時鍾周期(qī)内超聲波所傳(chuán)播的距離⛱️爲 0.02mm，這樣便可以(yǐ)計算出定時器(qi)的溢出頻率是(shì) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是 17.05kHz，這(zhè)樣在一個時鍾(zhong)周期内所測的(de)距離便爲 0.01m。 N個周期所(suo)測的距離爲 N×； 0.01m， N個(ge)周期有 N個(ge)方脈沖，也就是(shì)說，計數器測得(de)的脈沖數 N即爲被測距離(li)，不過其單位爲(wei) 0.01m，因此應把(ba)計數顯示器的(de)小數點點在百(bǎi)位數和個位💘數(shu)之問，那麽示值(zhi)是以“米"爲單位(wèi)，其zui大顯示值爲(wei) 9.99m。

4 設計(jì)方案

4.1 實現(xiàn)功能

本設(she)計主要的實現(xiàn)功能如下：

由單片機産生(shēng)頻率爲 40kHz的(de)方波脈沖信号(hào)，超聲波發射端(duān)發出信号，遇到(dào)障礙👨‍❤️‍👨物💜返回，被(bei)接收端接收到(dào)。由單片機計算(suan)出探頭與障🔞礙(ài)物之間😍的距離(li)，這就是被測距(ju)離。

技術指(zhǐ)标：

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

4.2 系統(tong)結構

系統(tong)的基本組成包(bāo)括：單片機 (89C2051)， LCD(數碼管顯(xian)示 )，集成運(yun)放 (CX20106)，集成放(fàng)大器 (LM386)，超聲(shēng)波發射，接收探(tan)頭。

4.3 系統方(fang)案

要使整(zhěng)個系統能夠正(zhèng)常、順利的工作(zuò)，就得有一個好(hǎo)的硬🛀件和軟件(jian)。

本方案以(yi)單片機 ATMEL 89C2051爲(wei)核心，通過對其(qi)進行軟件編程(cheng)，實現該單片機(ji)對其外圍電路(lu)的适時控制，并(bìng)提供給外圍電(dian)路各種所需的(de)信号，包括頻❗率(lü)振蕩信号、數據(ju)處理信号等等(deng)，大大簡化了外(wai)圍電💛路的設計(jì)難度，同時更重(zhòng)要的是該種設(she)計方案大大節(jie)省了設計成本(běn)，并且由于是采(cai)用軟件編程技(ji)術💋，所以其移植(zhi)性能好，在設計(jì)電路時可以将(jiāng)其他更多的功(gōng)能設計進去，而(er)我們在設計電(dian)路闆📞時就可⭕以(yǐ)根據自己的設(shè)計目的焊接元(yuan)件。

在初始(shǐ)方案設計時，我(wo)打算在超聲波(bō)發射端使用✂️ RS觸發器 CD4013作爲門控電路(lù)，當 R=1； (S=0)時(shí)複位，即 Q=0； S=l(R=0)時置位，當上(shang)電複位時， D觸發器 CD4013的(de) Q腳輸出低(di)電平加到單片(piàn)機的 P3-3口，不(bú)啓動内部計數(shù)器，處于等待狀(zhuang)态。

在超聲(sheng)波接收端設計(jì)了一個信号放(fàng)大電路，采用兩(liǎng)級同✂️相交✏️流放(fàng)大器，通過參數(shù)設置，每一級放(fàng)大了約 20倍(bèi)，這樣經過兩級(ji)放大後，接收到(dao)的超聲波信号(hào)就被放大了幾(ji)🍉乎是 400倍，完(wán)夠被後續檢測(cè)電路檢測到。接(jiē)收傳感器 L2将反射的超聲(sheng)波轉換爲電信(xìn)号後，由放大器(qì)放大♊後再送到(dao)由 U1B、 U1C等(děng)組成的斯密特(tè)整形電路整理(lǐ)成規範的方脈(mo)沖。電阻 R11和(hé)電位器 R12爲(wei)同相端提供直(zhí)流偏置電位。需(xū)要注意的是這(zhè)兩個直流偏✊置(zhi)電阻的作用是(shi)相當重要的，它(tā)可以很好地穩(wěn)定運放 A741的(de)直流工作點，不(bu)緻于使其同相(xiang)輸入端出現浮(fu)動狀🛀🏻态，而造🚶成(chéng)輸入信号不穩(wěn)定。

由于本(ben)超聲波測距系(xi)統精度要求是(shi) lcm，故本人在(zài)進行距離顯示(shi)電路部分的設(she)計時用到了❤️三(san)個數碼管，其可(kě)以顯示範圍爲(wèi) 0． Olm至 9． 99m，爲了節(jiē)省硬件開銷，本(běn)距離顯示電路(lù)沒有使用譯🔞碼(ma)器，而是直♻️接有(yǒu)效地利用了單(dan)片機的有限端(duān)口來進行譯碼(ma)顯示，但是zui後由(yóu)于仍然缺少一(yi)個端口，故用到(dào)🈲了一個二一四(si)譯碼器 74LS139。

經過老師指(zhi)導，對初始設計(ji)方案進行修改(gai)，将原超聲波發(fa)射♉電路改成用(yòng)芯片 LM386發射(she)，不使用原有的(de)門控電路。原超(chao)聲波接收電路(lù)改成用集⁉️成 CX20106，省掉了之前(qián)的放大電路。由(you)于采取了系統(tǒng)優化方案，大大(dà)節🌈省了單片機(ji)的接口，原本因(yin)爲單片機機接(jiē)口不夠而擴展(zhǎn)的 74LS139芯片被(bèi)省略，數碼管位(wèi)選直接接在單(dan)片機接口上。這(zhè)些優化大大簡(jiǎn)化了設計的複(fu)雜度和焊接時(shí)的困難度。

在軟件方面采(cai)用 C語言來(lái)編程，用 C語(yu)言來編寫目标(biāo)系統軟件，會大(dà)大縮短開發周(zhou)期，且明顯地增(zēng)加軟件的可讀(dú)性，便于改進和(hé)擴充。