如何使超聲波設(she)計中應用及擴充(chong)

1 智能超聲波(bō)距離提示器

1． 1 什麽是超聲(sheng)波測距

超聲(sheng)波是指超過人的(de)聽覺範圍以上 (16KHZ)的聲波。近二、三(sān)十年 ,特别是(shì)近十年來，由于電(diàn)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(zhǎn)。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(yī)。超聲技😘術是通過(guò)超聲波産生、傳播(bō)及接收的物理過(guò)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(sù)、衰減、反射、聲阻抗(kàng)等 )來實現對(duì)非聲學量 (如(rú)密度、濃度、強度、彈(dàn)性、硬度、粘度、溫度(du)、流速、流量、液位、厚(hòu)度、缺陷等 )的(de)測定。它的基本原(yuan)理是基于超聲波(bō)在介質中傳播時(shí)遇到不同的界面(mian)，将産生反射，折射(she)，繞射，衰減等現象(xiang)，從而使傳播✊的聲(shēng)時，振幅，波形，頻率(lü)等發生👈相應變化(huà)，測定這些規🌈律的(de)變化，便可得到材(cai)料的某些性質與(yu)内部構造情況。與(yǔ)🌏傳統超聲技術*不(bu)同，新的超聲技術(shù)具有以下特點：在(zài)不破⭐壞媒質特性(xing)的情況下實現非(fēi)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(sheng)器的種類

爲(wèi)了研究和利用超(chāo)聲波，人們已經設(shè)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(liǎng)大☀️類：一類是用電(dian)器方式産生超聲(shēng)波，一類是用機械(xie)方式産生超聲波(bō)，電器方式包括壓(ya)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(di)等。它們所産生的(de)超聲波的頻率，功(gōng)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(sheng)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(wài)加脈沖信号，其頻(pín)率等于壓電晶片(piàn)的固有震蕩頻率(lǜ)時，壓電晶片将會(huì)發生共振，并帶動(dòng)共振闆振動，便産(chan)生超聲波。反之，如(ru)果兩電極間外⛱️未(wèi)加電壓，當共振闆(pan)接受到超聲⭕波時(shí)，将壓迫壓電晶😘片(piàn)做震動，将機械能(néng)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(li)測量的優勢

由于超聲波頻率(lü)較高，沿直線傳播(bo)，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(jiao)遠，遇到雜質或分(fèn)界面時會産生反(fǎn)✔️射波，因而超聲波(bo)經常用于距離的(de)測量。超聲波有兩(liang)個特點，一個是能(neng)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(dòng)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(néng)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(běn)設計采用單片機(jī)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(yí)相比的，但優點在(zai)于系統規模較小(xiao)，器件更換容易，成(cheng)本低，有一定靈活(huó)性。但不适宜用于(yú)測量過于或者過(guo)大的距☔離，容易産(chǎn)生誤差。

3 研究(jiū)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(shū)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(shì)整個電路的核心(xin) ,有單片機發(fa)生的頻率必須準(zhun)确 ,否則測得(dé)的距離顯示會産(chǎn)生很大誤差。在考(kǎo)慮整體方案的🏃時(shi)候，也想到用一片(pian)單片集成電路來(lái)完成頻率信号的(de)産生及其分類工(gōng)作，也*可以實現電(diàn)路的功能，但是要(yao)想實🌍現高精度要(yào)求💋，有些困難。zui後還(hái)是選擇❓用單片機(ji)來完成頻率的産(chǎn)生工作。

*個頻(pín)率，超聲波的發射(she)中心頻率，信号本(ben)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(ding)時器由軟件編程(cheng)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(pin)率，在計算之前首(shǒu)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(ji)精度爲 lcm，也是(shì) 0.01m，超聲波發射(she)器的聲波傳播到(dào)反射物，再由反射(shè)物反❄️射到接收器(qì)，所傳播的距離爲(wei) 2倍測量距離(lí)，而大家知道，聲波(bo)在标準氣壓下 15℃的傳播速度爲(wèi) 341m／ s，因此，我(wǒ)們要設計成在一(yī)個時鍾周期内超(chāo)聲波所傳播的距(ju)離爲 0.02mm，這樣便(bian)可以計算出定時(shí)器的溢出頻率是(shi) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也(ye)就是 17.05kHz，這樣在(zài)一個時鍾周期内(nei)所測的距離便爲(wei) 0.01m。 N個周期(qī)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(shù) N即爲被測距(jù)離，不過其單位爲(wèi) 0.01m，因此應把計(jì)數顯示器的小數(shù)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(neng)

本設計主要(yào)的實現功能如下(xià)：

由單片機産(chǎn)生頻率爲 40kHz的(de)方波脈沖信号，超(chāo)聲波發射端發出(chu)信号，遇到障礙物(wu)返✂️回，被接收端接(jie)收到。由單片機計(jì)算出探頭與障礙(ài)物👄之間的距✔️離，這(zhe)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(zhi) 9.99m。

4.2 系統結(jie)構

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

4.3 系統方案

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

本方案以單片(pian)機 ATMEL 89C2051爲核心，通(tong)過對其進行軟件(jian)編程，實現該單片(piàn)機對👄其外🏃‍♀️圍電路(lù)的适時控制，并提(tí)供給外圍電路各(ge)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(wài)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(jì)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(jin)去，而我們在設計(ji)電路闆時就可以(yǐ)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(chao)聲波發射端使用(yòng)🌈 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(dòng)内部計數器，處于(yú)等待狀态。

在(zai)超聲波接收端設(she)計了一個信号放(fang)大電路，采用兩級(ji)同相🔅交流放大器(qi)，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(shì) 400倍，完夠被後(hòu)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(dà)後再⭕送📐到由 U1B、 U1C等組成的斯(si)密特整形電路整(zheng)理成規範的方脈(mo)沖。電阻👣 R11和電(dian)位器 R12爲同相(xiàng)端提供直流偏置(zhì)電位。需要注意的(de)是這兩個直流偏(piān)置電阻的作用是(shi)相當重要的，它可(ke)以很好地穩定運(yun)放 A741的直流工(gong)作點，不緻于使其(qí)同相輸入端出現(xian)浮動狀态，而造成(cheng)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(ben)人在進行距離顯(xian)示電路部分的設(shè)計時用到了三💋個(ge)數碼管，其可以顯(xian)示範圍爲 0． Olm至 9． 99m，爲(wèi)了節省硬件開銷(xiao)，本距離顯示電路(lù)沒有使用譯⭕碼器(qì)，而是直接有效地(di)利用了單片機的(de)有限端口來進行(háng)譯碼顯示，但是zui後(hou)由于仍然缺少一(yī)個端口🔴，故用到了(le)一個二一四譯碼(ma)器🐇 74LS139。

經過(guo)老師指導，對初始(shǐ)設計方案進行修(xiū)改，将原超聲波發(fā)😄射電👄路改成用芯(xin)片 LM386發射，不使(shǐ)用原有的門控電(dian)路。原超聲波接收(shou)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(yuan)本因爲單片機機(ji)接口不夠而擴展(zhǎn)的 74LS139芯片被省(shěng)略，數碼管位選直(zhi)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(shí)的困難度。

在(zai)軟件方面采用 C語言來編程，用(yong) 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。