如何使(shi)超聲波設計(ji)中應用及擴(kuò)充

1 智能(néng)超聲波距離(lí)提示器

1． 1 什麽是(shì)超聲波測距(jù)

超聲波(bo)是指超過人(ren)的聽覺範圍(wei)以上 (16KHZ)的(de)聲波。近二、三(san)十年 ,特(te)别是近十年(nián)來，由于電子(zi)技術及壓電(diàn)陶瓷材料的(de)發展，使超聲(shēng)檢測技術得(de)到了迅速的(de)發展。超聲技(jì)術是一門以(yǐ)物理、電子、機(jī)械、及材料學(xue)爲基礎的通(tōng)用技術之一(yī)。超聲技術是(shi)通過超聲波(bo)産生、傳播及(jí)接收的物理(li)過程📐而完成(chéng)的。超聲波具(ju)💔有聚束、定向(xiang)及反射、透射(she)等特性。

超聲檢測技(ji)術是利用超(chāo)聲波在媒質(zhi)中的傳播特(tè)✏️性♉ (聲速(su)、衰減、反射、聲(shēng)阻抗等 )來實現對非(fēi)聲學量 (如密度、濃度(du)、強度、彈性、硬(ying)度、粘度、溫度(dù)、流速、流量、液(yè)位、厚♋度、缺陷(xiàn)等 )的測(ce)定。它的基本(běn)原理是基于(yú)超聲波在介(jiè)質中傳🧡播時(shi)遇🔴到不同的(de)界面，将産生(shēng)反射，折射，繞(rào)射，衰減等現(xian)象，從㊙️而使🔆傳(chuán)播的聲時，振(zhen)幅，波形，頻率(lǜ)等發生相應(ying)變化，測定這(zhè)些規律的變(biàn)化，便可得到(dao)材料的某些(xie)性質與内部(bù)構❌造情況。與(yu)傳統超聲技(jì)術*不同，新的(de)超聲技術具(ju)有以下特點(diǎn)：在不破壞媒(méi)質特性㊙️的情(qíng)況下實現非(fei)接觸性測量(liàng)，環境适應能(néng)力強，可實現(xiàn)在線🐪測量。

1． 2 超聲(shēng)波發生器的(de)種類

爲(wèi)了研究和利(lì)用超聲波，人(ren)們已經設計(jì)和制成了許(xu)多超🈚聲波發(fa)生器。總體上(shàng)講，超聲波發(fā)生器可以🐅分(fèn)爲兩大類：一(yi)類是用電🙇‍♀️器(qi)方式産生超(chao)聲波，一類是(shi)用機械方式(shi)産生超聲波(bo)，電器方式☔包(bao)括壓電型，磁(ci)緻伸縮型和(he)電動型等；機(jī)械方式有加(jiā)爾統笛，液哨(shao)和氣流旋笛(di)等。它們所💜産(chan)生的超聲波(bo)的頻率，功♌率(lǜ)和聲波特性(xing)各不相同，因(yin)而用途也各(ge)不相同。目前(qián)較爲常用的(de)是壓電式超(chao)聲波發生器(qi)。雅典市超聲(shēng)波發生器實(shí)際上是利用(yong)壓電晶體👌的(de)諧振來工作(zuo)的。

它有(yǒu)兩個壓電晶(jing)片和一個共(gòng)振闆。當它的(de)兩極外加脈(mo)沖信号，其頻(pín)率等于壓電(diàn)晶片的固有(you)震蕩頻率時(shi)，壓電晶片🤞将(jiang)會發生共振(zhen)，并帶動共振(zhèn)闆振動，便産(chǎn)生超聲波。反(fan)之，如果兩電(diàn)極間外未加(jia)電壓，當共振(zhèn)闆接受到超(chāo)聲波時，将壓(yā)迫壓電晶🌈片(piàn)做震動，将機(ji)械能轉換爲(wèi)點信号，這時(shi)它就成爲超(chāo)聲波接🌈受器(qi)了。

2 研究(jiu)的意義

2.1 超聲波用于(yú)距離測量的(de)優勢

由(you)于超聲波頻(pín)率較高，沿直(zhi)線傳播，繞射(shè)小，穿透力強(qiáng)，指🌈向性♻️強，傳(chuan)輸過程中衰(shuai)減少，能量消(xiāo)耗緩慢，在介(jiè)質中傳播的(de)距離較遠☎️，遇(yù)到雜質或分(fèn)界面時會産(chan)生反射波，因(yin)而超聲波經(jing)常用于距離(lí)的測量。超聲(sheng)波有兩📞個特(tè)點，一個是能(neng)量大，一個是(shi)沿直線傳播(bo)，它的應用就(jiu)是按照這兩(liǎng)個特點展開(kai)的。

超聲(shēng)波與一般聲(shēng)波比較，它的(de)振動頻率高(gao)，而且波長短(duan)，因而具有束(shù)射特性，方向(xiang)性強，可以定(ding)向傳播，其能(néng)量遠遠大于(yú)振🌈幅相同的(de)一般聲波，并(bing)且具有🌏很高(gāo)的穿透能力(li)。

2.2 研究的(de)意義

本(běn)設計采用單(dan)片機來實現(xiàn)智能超聲波(bō)測距，雖其在(zai)😄功能上📧是不(bu)能與商品的(de)，高精度的智(zhi)能超聲波測(ce)距儀相比的(de)🔞，但優點在于(yu)系統規模較(jiào)小，器件更換(huan)容易，成本低(dī)，有一定靈活(huo)性❗。但不适🐇宜(yi)用于測量⭕過(guò)于或者過大(dà)的距離，容易(yi)産生誤差。

3 研究的關(guan)鍵技術

3.1 頻率發生

本設計中(zhong)共用到了兩(liǎng)個重要的頻(pín)率 ,爲了(le)實現輸出頻(pín)率的性 ,在設計時用(yòng)到了單片機(jī) ,因爲頻(pin)率發生電路(lù)是整個電路(lù)的核心 ,有單片機發(fā)生的頻率必(bi)須準确 ,否則測得的(de)距離顯示會(huì)産生很大誤(wù)差。在考慮整(zhěng)體方案的時(shí)候，也想到用(yong)一片單片集(jí)成電路來完(wán)☎️成頻率信号(hao)的産生及其(qi)分類工作，也(yě)*可以實現電(diàn)路的功能，但(dan)是要想實現(xiàn)高精度要求(qiú)，有些困難。zui後(hòu)還是選擇用(yong)單片機來完(wan)成頻率的産(chǎn)生工作。

*個頻率，超聲(sheng)波的發射中(zhong)心頻率，信号(hao)本來就是 40kHz，并由單片(piàn)機的 P3． 0口輸出。這(zhe)是由單片機(jī)内部的定時(shí)器由軟件編(biān)程所産⚽生，具(jù)體需要由程(cheng)序來設定。

第二個頻(pín)率就是單片(piàn)機進行數碼(ma)顯示的計數(shu)頻率，在♻️計算(suàn)之前首先要(yào)明确我們要(yao)設計的超聲(shēng)波測距精度(dù)是多少，而在(zai)本設計中，設(she)計精度爲 lcm，也是 0.01m，超聲波發射(she)器的聲波傳(chuán)播到反射物(wù)，再由反射物(wu)反射到接收(shōu)器，所傳播的(de)距離爲 2倍測量距離(lí)，而大家知道(dào)，聲波在标準(zhun)氣壓下 15℃的傳播速度(dù)爲 341m／ s，因此，我們要(yào)設計成在一(yī)個時鍾周期(qī)内超聲波所(suǒ)🍉傳播👄的距🔞離(lí)💋爲 0.02mm，這樣(yàng)便可以計算(suan)出定時器的(de)溢出頻率是(shi) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是 17.05kHz，這樣在一(yi)個時鍾周期(qī)内所測的距(ju)離便爲 0.01m。 N個周期(qi)所測的距離(li)爲 N×； 0.01m， N個周期(qi)有 N個方(fang)脈沖，也就是(shi)說，計數器測(ce)得的脈沖數(shu) N即爲被(bèi)測距離，不過(guò)其單位爲 0.01m，因此應把(bǎ)計數顯示器(qì)的小數點點(diǎn)在百位數和(hé)個位數之問(wèn)，那麽示值是(shi)以“米"爲單位(wèi)，其zui大顯示值(zhí)爲 9.99m。

4 設計方案

4.1 實現功能(neng)

本設計(jì)主要的實現(xian)功能如下：

由單片機(jī)産生頻率爲(wei) 40kHz的方波(bō)脈沖信号，超(chāo)聲波發射端(duan)發出信号，遇(yu)到障礙物返(fǎn)回，被✍️接收端(duan)接收到。由單(dan)片機計算出(chu)探頭與障礙(ài)物之間的距(ju)離，這就是被(bèi)測距離。

技術指标：

設計精度(du)爲 lcm，也就(jiu)是 0.0lm。可測(ce)量距離由 0m至 9.99m。

4.2 系統結構(gou)

系統的(de)基本組成包(bao)括：單片機 (89C2051)， LCD(數碼(mǎ)管顯示 )，集成運放 (CX20106)，集成放大(dà)器 (LM386)，超聲(sheng)波發射，接收(shou)探頭。

4.3 系(xì)統方案

要使整個系(xì)統能夠正常(cháng)、順利的工作(zuò)，就得有一個(ge)好的硬件和(he)軟件。

本(běn)方案以單片(pian)機 ATMEL 89C2051爲核(he)心，通過對其(qí)進行軟件編(biān)程，實現該單(dan)片機對其外(wài)🌈圍電路的适(shì)時控制，并提(tí)供給外圍電(dian)路各種所需(xū)的信号，包括(kuo)頻率振蕩信(xìn)号、數據處理(li)信号等等，大(dà)大簡化了外(wài)圍電路的設(she)計難度👣，同時(shí)更重要的是(shi)該種🐕設計方(fang)案大大節省(shěng)了設計成本(ben)，并且由👣于是(shì)采用軟🧡件編(biān)程技術，所以(yǐ)其移植性能(neng)好，在設計電(dian)路時可以将(jiang)其他更多的(de)功能設計進(jin)去，而我們在(zai)設計電路闆(pǎn)時就可以根(gēn)據自己的設(she)計目的焊接(jie)元件。

在(zai)初始方案設(she)計時，我打算(suàn)在超聲波發(fā)射端使用 RS觸發器 CD4013作爲門控(kòng)電路，當 R=1； (S=0)時複位(wei)，即 Q=0； S=l(R=0)時置位，當上(shang)電複位時， D觸發器 CD4013的 Q腳(jiao)輸出低電平(píng)加到單片機(ji)的 P3-3口，不(bu)啓動内部計(ji)數器，處于等(deng)待狀态。

在超聲波接(jie)收端設計了(le)一個信号放(fang)大電路，采用(yòng)兩🔴級同相交(jiao)‼️流放大器，通(tong)過參數設置(zhì)，每一級放大(da)了約 20倍(bèi)，這樣經過兩(liǎng)級放大後，接(jiē)收到的超聲(sheng)波信号就🌏被(bei)放🙇🏻大了幾乎(hu)是 400倍，完(wán)夠被後續檢(jiǎn)測電路檢測(cè)到。接收傳感(gan)器 L2将反(fan)射的超聲波(bo)轉換爲電信(xìn)号後，由放大(dà)器放大🌈後再(zai)送到由❤️ U1B、 U1C等組成(cheng)的斯密特整(zhěng)形電路整理(lǐ)成規範的方(fang)脈沖。電阻 R11和電位器(qì) R12爲同相(xiang)端提供直流(liu)偏置電位。需(xū)要注意的是(shì)這兩個直流(liu)偏置電阻的(de)作用是相當(dāng)重要的，它可(ke)以很好地穩(wěn)定運放 A741的直流工作(zuò)點，不緻于使(shi)其同相輸入(ru)端出現浮動(dòng)👈狀态，而造成(chéng)輸入信号不(bu)穩定。

由(yóu)于本超聲波(bo)測距系統精(jīng)度要求是 lcm，故本人在(zài)進行距離顯(xiǎn)示電路部分(fen)的設計時用(yong)到了三💛個數(shù)碼管，其可以(yi)顯示範圍爲(wèi) 0． Olm至(zhì) 9． 99m，爲(wei)了節省硬件(jian)開銷，本距離(lí)顯示電路沒(mei)有使用譯碼(mǎ)器，而是直接(jiē)有效地利用(yong)了單片機的(de)有限端口來(lai)進行譯碼顯(xiǎn)示，但☀️是zui後由(yóu)于仍然缺少(shao)一個端口，故(gù)用到🈲了一個(gè)二一四譯碼(ma)器 74LS139。

經過老師指(zhǐ)導，對初始設(shè)計方案進行(hang)修改，将原超(chāo)聲波發射電(dian)路改成用芯(xin)片 LM386發射(she)，不使用原有(yǒu)的門控電路(lù)。原超聲波接(jiē)收電路改✌️成(cheng)用🈲集成 CX20106，省掉了之前(qian)的放大電路(lu)。由于采取了(le)系統優化方(fāng)案，大大節省(sheng)了單片機的(de)接口，原本因(yīn)爲單片機機(jī)接口不夠而(er)擴展的🔞 74LS139芯片被省略(luè)，數碼管位選(xuan)直接接在單(dan)片機接口上(shang)。這些優化大(dà)大簡化了設(shè)計的複雜度(dù)和焊接時的(de)困難度。

在軟件方面(mian)采用 C語(yǔ)言來編程，用(yong) C語言來(lai)編寫目标系(xi)統軟件，會大(da)大縮短開發(fa)周期，且♊明顯(xiǎn)🔴地增加軟件(jiàn)的可讀性，便(biàn)于改進和擴(kuò)充。