如何(hé)使超聲(sheng)波設計(jì)中應用(yong)及擴充(chong)

1 智(zhì)能超聲(shēng)波距離(lí)提示器(qi)

1． 1 什麽(me)是超聲(shēng)波測距(jù)

超(chao)聲波是(shi)指超過(guò)人的聽(ting)覺範圍(wéi)以上 (16KHZ)的聲(shēng)波。近二(er)、三十年(nian) ,特(tè)别是近(jìn)十年來(lai)，由于電(dian)子技術(shù)及壓電(dian)陶瓷材(cái)料的發(fā)展，使超(chao)聲檢測(ce)技術得(dé)到了迅(xun)速的發(fa)展。超聲(sheng)👉技術是(shì)一門以(yi)物理、電(diàn)子✨、機械(xie)、及材料(liào)學爲基(jī)礎的通(tōng)用技術(shu)之一。超(chao)聲技術(shù)是通過(guò)超聲波(bo)産生、傳(chuan)播💃🏻及接(jie)收的🥵物(wù)理過程(chéng)而完成(chéng)的。超聲(sheng)波具🔞有(yǒu)聚束、定(ding)向及反(fan)射、透射(she)等特性(xìng)。

超(chāo)聲檢測(ce)技術是(shì)利用超(chao)聲波在(zài)媒質中(zhōng)的傳播(bo)特性 (聲速(sù)、衰減、反(fǎn)射、聲阻(zu)抗等 )來實(shí)現對非(fēi)聲學量(liang) (如(rú)密度、濃(nóng)度、強度(du)、彈性、硬(yìng)度、粘度(dù)、溫度、流(liú)速、流量(liàng)、液位、厚(hòu)⭐度、缺陷(xiàn)等 )的測定(ding)。它的基(jī)本原理(li)是基于(yú)超聲波(bō)在介質(zhì)中傳播(bō)時🈲遇🌍到(dào)不同的(de)界面，将(jiāng)産生反(fǎn)射，折射(she)，繞射，衰(shuāi)減等現(xian)象，從而(ér)使傳播(bō)💘的聲時(shi)，振幅，波(bo)形，頻率(lü)等發生(sheng)相應變(biàn)化，測定(ding)這些規(guī)⭕律的變(bian)化，便可(ke)得到材(cái)料的⚽某(mǒu)些性質(zhi)與内部(bù)構造情(qíng)況。與傳(chuan)統超聲(sheng)技術*不(bu)同📱，新的(de)超聲技(ji)術具有(yǒu)以下👈特(tè)點：在不(bu)破壞媒(mei)質特性(xing)的情況(kuàng)下實🔅現(xian)非接觸(chu)性測量(liàng)，環境适(shi)應能力(lì)強，可實(shi)現在線(xian)測量。

1． 2 超聲波(bō)發生器(qi)的種類(lèi)

爲(wei)了研究(jiu)和利用(yong)超聲波(bo)，人們已(yi)經設計(ji)和制成(cheng)了許🤞多(duo)超聲波(bo)發生器(qì)。總體上(shang)講，超聲(sheng)波發生(sheng)器可以(yi)分爲兩(liang)大類：一(yi)類是用(yòng)電器方(fang)式産生(sheng)超聲波(bo)，一類是(shì)用機械(xiè)方式産(chǎn)生超聲(shēng)波，電器(qi)方式包(bao)括壓電(diàn)型，磁緻(zhì)伸縮型(xing)和電動(dòng)型等；機(ji)械方式(shì)有加爾(ěr)統笛，液(yè)🐪哨和氣(qi)流旋笛(di)等。它們(men)所産生(shēng)的超聲(sheng)波的頻(pín)率，功率(lü)和聲波(bo)特性各(gè)不相同(tong)，因而用(yong)途也各(gè)不相同(tóng)。目前較(jiao)爲常用(yong)的是壓(ya)電式超(chao)聲波發(fā)生器。雅(yǎ)典市超(chao)🐆聲波發(fa)生器實(shi)際上🛀🏻是(shi)利用壓(yā)電晶體(tǐ)✨的諧振(zhen)來工作(zuo)的。

它有兩(liǎng)個壓電(diàn)晶片和(he)一個共(gong)振闆。當(dāng)它的兩(liǎng)極外加(jiā)脈❓沖信(xin)号，其頻(pin)率等于(yu)壓電晶(jing)片的固(gu)有震蕩(dàng)頻率時(shí)，壓電晶(jīng)片将會(huì)發生共(gong)振，并帶(dài)動共振(zhen)闆振動(dòng)🔴，便産生(sheng)超聲波(bō)🌂。反之，如(ru)果兩電(diàn)極間外(wai)未加電(diàn)壓，當共(gòng)振闆接(jie)受到超(chāo)聲波時(shí)，将壓迫(pò)壓電晶(jīng)片做震(zhen)動☔，将機(jī)械能轉(zhuǎn)換爲點(diǎn)信号，這(zhe)時它就(jiù)成爲超(chāo)聲波接(jiē)受器了(le)。

2 研(yán)究的意(yi)義

2.1 超聲波(bō)用于距(jù)離測量(liàng)的優勢(shì)

由(yóu)于超聲(shēng)波頻率(lǜ)較高，沿(yan)直線傳(chuán)播，繞射(shè)小，穿透(tou)力強🏃‍♂️，指(zhi)向性強(qiáng)🌈，傳輸過(guo)程中衰(shuāi)減少，能(neng)量消耗(hào)緩慢，在(zai)⛷️介質中(zhong)傳☔播的(de)📧距離較(jiào)遠，遇到(dào)雜質或(huo)分界面(mian)時會💞産(chǎn)生反射(shè)波，因而(er)超聲波(bo)經常用(yong)于距離(lí)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(yan)直線傳(chuan)播，它的(de)應用🔴就(jiu)是按照(zhào)這兩個(gè)特點展(zhan)開的。

超聲(sheng)波與一(yi)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(yǒu)束射特(te)性，方向(xiàng)性強，可(ke)以定向(xiang)傳播，其(qi)能量遠(yuan)⛷️遠大于(yu)振幅相(xiang)同的一(yi)般聲波(bō)，并且具(jù)有很高(gāo)的穿透(tòu)能力。

2.2 研究(jiū)的意義(yì)

本(běn)設計采(cai)用單片(pian)機來實(shi)現智能(neng)超聲波(bō)測距，雖(sui)其在功(gōng)能上是(shi)不能與(yǔ)商品的(de)，高精度(dù)的智能(néng)超聲波(bō)測距儀(yí)相比的(de)，但優點(diǎn)在于系(xi)統規模(mo)較小，器(qi)件更換(huan)容易，成(cheng)本低，有(you)一定靈(líng)活性。但(dan)不适宜(yi)用于測(ce)量過于(yu)或者過(guo)大的距(ju)離，容易(yì)産生誤(wù)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(yong)到了兩(liǎng)個重要(yào)的頻率(lü) ,爲(wei)了實現(xian)輸出頻(pin)率的性(xing) ,在(zài)設計時(shí)用到了(le)單片機(ji) ,因(yin)爲頻率(lǜ)發生電(diàn)路是整(zheng)個電路(lu)的核心(xin) ,有(you)單片機(jī)發生的(de)頻率必(bi)須準确(que) ,否(fǒu)則測得(de)的距離(li)顯示會(huì)産生很(hěn)大誤差(chà)。在考慮(lü)整體方(fāng)案的時(shi)候，也想(xiǎng)到用一(yī)片單片(pian)集成電(dian)路來完(wán)成頻率(lǜ)信号的(de)産生🔅及(jí)其分類(lèi)工作，也(yě)*可以實(shi)現電路(lu)的功能(néng)，但是💞要(yao)想實現(xian)高精度(du)要求，有(yǒu)些困難(nan)。zui後還是(shì)選擇用(yong)單片機(jī)🈲來完成(chéng)頻率的(de)産生工(gong)作。

*個頻率(lü)，超聲波(bo)的發射(she)中心頻(pín)率，信号(hào)本來就(jiu)是 40kHz，并由單(dan)片機的(de) P3． 0口輸(shu)出。這是(shi)由單片(piàn)機内部(bù)的定時(shi)器由軟(ruan)件編程(chéng)㊙️所産生(sheng)，具🛀🏻體需(xu)要由程(chéng)序來設(shè)定。

第二個(gè)頻率就(jiù)是單片(piàn)機進行(hang)數碼顯(xian)示的計(jì)數頻💋率(lü)，在計算(suàn)之前首(shǒu)先要明(ming)确我們(men)要設計(jì)的超聲(sheng)波測距(jù)精度是(shì)多少，而(ér)在本設(shè)計中，設(she)計精度(dù)爲 lcm，也是 0.01m，超聲(sheng)波發射(she)器的聲(sheng)波傳播(bō)到反射(shè)物，再由(yóu)反射物(wù)反射到(dào)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(zhi)道，聲波(bo)在标準(zhǔn)氣壓下(xia) 15℃的(de)傳播速(su)度爲 341m／ s，因此，我(wǒ)們要設(she)計成在(zài)一個時(shí)鍾周期(qī)内超聲(shēng)波所傳(chuan)播的距(ju)離爲 0.02mm，這樣(yàng)便可以(yǐ)計算出(chū)定時器(qì)的溢出(chū)頻率是(shi) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是(shi) 17.05kHz，這(zhè)樣在一(yi)個時鍾(zhōng)周期内(nèi)所測的(de)距離便(biàn)爲 0.01m。 N個(gè)周期所(suo)測的距(ju)離爲 N×； 0.01m， N個(ge)周期有(yǒu) N個(ge)方脈沖(chòng)，也就是(shi)說，計數(shu)器測得(dé)的脈沖(chòng)數 N即爲被(bèi)測距離(li)，不過其(qi)單位爲(wei) 0.01m，因(yīn)此應把(ba)計數顯(xiǎn)示器的(de)小數點(dian)點在百(bai)位數和(he)個位數(shu)之✌️問，那(na)麽示值(zhí)是以“米(mi)"爲單位(wei)，其zui大顯(xiǎn)示值爲(wei) 9.99m。

4 設計(ji)方案

4.1 實現(xiàn)功能

本設(shè)計主要(yào)的實現(xian)功能如(rú)下：

由單片(pian)機産生(sheng)頻率爲(wei) 40kHz的(de)方波脈(mò)沖信号(hao)，超聲波(bo)發射端(duan)發出信(xin)号，遇到(dào)障礙🤞物(wu)返🏃‍♂️回，被(bei)接收端(duan)接收到(dào)。由單片(pian)機計算(suàn)出探頭(tóu)與障礙(ai)物⛹🏻‍♀️之間(jiān)的距離(li)，這就是(shi)被測距(jù)離。

技術指(zhi)标：

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

4.2 系統(tong)結構

系統(tong)的基本(ben)組成包(bao)括：單片(piàn)機 (89C2051)， LCD(數(shù)碼管顯(xiǎn)示 )，集成運(yùn)放 (CX20106)，集成放(fang)大器 (LM386)，超聲(sheng)波發射(shè)，接收探(tàn)頭。

4.3 系統方(fāng)案

要使整(zheng)個系統(tǒng)能夠正(zheng)常、順利(lì)的工作(zuò)，就得有(yǒu)一個好(hao)的硬♊件(jian)和軟件(jiàn)。

本(ben)方案以(yi)單片機(ji) ATMEL 89C2051爲(wei)核心，通(tong)過對其(qi)進行軟(ruan)件編程(chéng)，實現該(gai)單片機(ji)對其🌈外(wai)圍電路(lu)💯的适時(shi)控制，并(bing)提供給(gei)外圍電(diàn)路各種(zhong)所需的(de)信号，包(bāo)括頻率(lǜ)振蕩信(xin)号、數據(ju)處理信(xin)号等📱等(deng)，大大簡(jian)化了外(wài)圍電路(lù)的設🙇‍♀️計(jì)難度，同(tong)時更重(zhong)要💚的是(shì)該種設(shè)計方案(àn)💛大大節(jie)省🙇🏻了設(shè)計成本(běn)，并且由(yóu)于是采(cai)用軟♉件(jian)編程技(jì)術，所以(yi)其移植(zhi)性能好(hǎo)，在設計(jì)電路時(shi)可以将(jiang)其他更(gèng)多的功(gōng)能設計(jì)進去，而(ér)我們在(zài)設計㊙️電(diàn)路闆時(shi)就可以(yǐ)根據自(zi)己的設(shè)計目的(de)焊接元(yuán)件。

在初始(shǐ)方案設(she)計時，我(wo)打算在(zài)超聲波(bō)發射端(duān)使用 RS觸發(fā)器 CD4013作爲門(mén)控電路(lù)，當 R=1； (S=0)時(shi)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(jiā)到單片(pian)機的 P3-3口，不(bú)啓動内(nèi)部計數(shù)器，處于(yu)等待狀(zhuàng)态。

在超聲(sheng)波接收(shōu)端設計(ji)了一個(ge)信号放(fang)大電路(lu)，采用兩(liang)級同相(xiang)💃🏻交流放(fàng)大器，通(tong)過參數(shu)設置，每(měi)一級放(fang)大了約(yuē) 20倍(bèi)，這樣經(jing)過兩級(ji)放大後(hòu)，接收到(dao)的超聲(shēng)波信号(hao)就被🔞放(fàng)大了幾(ji)乎是 400倍，完(wan)夠被後(hòu)續檢測(cè)電路檢(jiǎn)測到。接(jie)收傳感(gǎn)器 L2将反射(she)的超聲(sheng)波轉換(huàn)爲電信(xin)号後，由(yóu)放大器(qì)放大🐇後(hòu)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(fàn)的方脈(mo)沖。電阻(zǔ) R11和(hé)電位器(qì) R12爲(wèi)同相端(duan)提供直(zhí)流偏置(zhì)電位。需(xū)要注意(yi)的是這(zhe)兩個直(zhi)流偏置(zhi)電阻的(de)作用是(shì)相當重(zhòng)要的，它(ta)可以很(hen)好地穩(wen)定運放(fàng) A741的(de)直流工(gong)作點，不(bu)緻于使(shǐ)其同相(xiang)輸入端(duan)出現浮(fú)動狀态(tai)，而造成(chéng)輸入信(xin)号不穩(wen)定。

由于本(běn)超聲波(bo)測距系(xi)統精度(dù)要求是(shi) lcm，故(gù)本人在(zài)進行距(jù)離顯示(shì)電路部(bù)分的設(shè)計時用(yòng)到了三(san)個數碼(mǎ)管，其可(kě)以顯示(shi)範圍爲(wei) 0． Olm至 9． 99m，爲了節(jie)省硬件(jian)開銷，本(běn)距離顯(xiǎn)示電路(lu)沒有使(shǐ)用譯碼(mǎ)器👈，而是(shì)直🏃接有(you)效地利(lì)用了單(dān)片機的(de)有限端(duān)口來進(jin)行譯碼(mǎ)顯示，但(dàn)🧡是zui後由(you)于仍然(rán)缺少一(yi)個端口(kou)，故用到(dào)了一個(ge)🏃‍♀️二一四(si)譯碼器(qì) 74LS139。

經過(guò)老師指(zhǐ)導，對初(chu)始設計(ji)方案進(jin)行修改(gǎi)，将原超(chāo)聲波發(fā)㊙️射♌電路(lù)改成用(yòng)芯片 LM386發射(she)，不使用(yòng)原有的(de)門控電(dian)路。原超(chao)聲波接(jiē)收電路(lu)改成用(yong)集成 CX20106，省掉(diào)了之前(qian)的放大(dà)電路。由(you)于采取(qǔ)了系統(tong)優化方(fang)案，大大(da)節省♌了(le)單片機(ji)的接口(kǒu)，原本因(yin)爲單片(piàn)機機接(jiē)口不夠(gou)而擴✏️展(zhan)的 74LS139芯片被(bèi)省略，數(shu)碼管位(wèi)選直接(jiē)接在單(dān)片機接(jiē)口上。這(zhè)些優化(huà)大大簡(jian)化了設(shè)計的複(fú)雜度和(he)焊接時(shí)的困難(nán)度。

在軟件(jian)方面采(cai)用 C語言來(lai)編程，用(yong) C語(yu)言來編(bian)寫目标(biāo)系統軟(ruan)件，會大(dà)大縮短(duǎn)開發周(zhou)期，且明(míng)顯地增(zeng)加軟件(jiàn)的可讀(dú)性，便于(yú)改進和(hé)擴充。