如何使(shǐ)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(shi)超聲波測距(jù)

超聲波(bō)是指超過人(rén)的聽覺範圍(wéi)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(zǐ)技術及壓電(dian)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(ji)術㊙️是一門以(yi)物理、電子🌂、機(ji)械、及材料學(xue)爲基礎的通(tong)用技術之一(yi)。超聲技術是(shi)通過超聲🈚波(bo)産生、傳播及(ji)接收的🏃‍♀️物理(lǐ)過程而完成(chéng)的。超聲波具(jù)有聚束、定向(xiàng)及反射、透射(she)等特性。

超聲檢測技(ji)術是利用超(chao)聲波在媒質(zhi)中的傳播特(te)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(du)、流速、流量、液(yè)位、厚度、缺陷(xiàn)等 )的測(cè)定。它的基本(ben)原理是基于(yú)超聲波在介(jie)質中傳播時(shi)遇到💃🏻不同的(de)界面，将産生(sheng)反射，折射，繞(rào)射，衰減等現(xiàn)象，從而使傳(chuan)播的聲時，振(zhen)幅，波形，頻率(lü)等發生相應(yīng)變🌈化，測定這(zhe)些規律的變(biàn)化，便可💃🏻得到(dào)材料的某些(xiē)性質與内部(bù)構造情況。與(yǔ)傳統超聲技(ji)術*不同，新的(de)超聲技術具(ju)有以下特點(dian)：在不破壞媒(mei)質特性的情(qíng)況下實現非(fēi)接觸性測量(liang)♈，環境适應能(neng)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(ji)和制成了許(xu)多超聲✍️波發(fā)生器。總體上(shang)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(ji)械方式有加(jiā)爾統笛，液♻️哨(shào)和氣流旋笛(di)等。它們所産(chǎn)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(qì)。雅典市超聲(sheng)波發生器實(shi)際上是利用(yòng)壓電晶體的(de)諧振來工作(zuò)的。

它有(you)兩個壓電晶(jing)片和一個共(gòng)振闆。當它的(de)兩極外🈚加脈(mò)沖信👉号，其頻(pín)率等于壓電(dian)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(dian)💃🏻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(wei)點信号，這時(shi)它就成🌏爲超(chāo)聲波接㊙️受器(qì)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(yóu)于超聲波頻(pin)率較高，沿直(zhí)線傳播，繞射(she)小，穿透力強(qiáng)，指向性強♍，傳(chuan)輸過程中衰(shuāi)減少，能量消(xiao)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(chǎn)生反射波，因(yin)而超聲波經(jīng)常📞用于距離(li)的測量。超聲(shēng)波有兩個特(tè)點，一個是能(néng)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(kāi)的。

超聲(shēng)波與一般聲(sheng)波比較，它的(de)振動頻率高(gao)，而且波長短(duǎn)🏒，因而具❄️有束(shu)射特性，方向(xiang)性強，可以定(dìng)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(gao)的穿透能力(lì)。

2.2 研究的(de)意義

本(běn)設計采用單(dān)片機來實現(xian)智能超聲波(bo)測距，雖其在(zài)🌈功能上是不(bu)能與商品的(de)，高精度的智(zhì)能超聲波測(cè)距🛀儀相比的(de)🥵，但優點在于(yú)系統規模較(jiào)小，器件更換(huàn)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(da)的距♻️離，容易(yì)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(liang)個重要的頻(pin)率 ,爲了(le)實現輸出頻(pín)率的性 ,在設計時用(yong)到了單片機(ji) ,因爲頻(pín)率發生電路(lu)是整個電路(lù)的核心 ,有單片機發(fā)生的頻率必(bì)須準确 ,否則測得的(de)距離顯示會(huì)産生很大誤(wu)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(wan)成頻🙇🏻率信号(hào)的産生💛及其(qi)📐分類工作，也(ye)*可以實現電(dian)🚶‍♀️路的功✊能，但(dàn)是要想實現(xiàn)高精度要求(qiu)，有些困難。zui後(hòu)還是選擇用(yong)單片機✔️來完(wán)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(pian)機的 P3． 0口輸出。這(zhè)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(pin)率就是單片(pian)機進行數碼(ma)顯示的計數(shù)頻🔴率，在計算(suàn)之🏃🏻‍♂️前首先要(yào)明确我們要(yao)設計的超聲(sheng)波測距精度(dù)是多少，而在(zai)本設計中，設(shè)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(wù)反射到接👌收(shōu)器，所傳播的(de)距離爲 2倍測量距離(li)，而大家知道(dao)，聲波在标準(zhǔn)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(yang)便可以計算(suan)出定時器的(de)溢出頻率是(shì) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是 17.05kHz，這樣在一(yī)個時鍾周期(qi)内所測的距(jù)離便爲 0.01m。 N個周期(qī)所測的距離(lí)爲 N×； 0.01m， N個周期(qī)有 N個方(fāng)脈沖，也就是(shì)說，計數器測(ce)得的脈沖數(shù) N即爲被(bei)測距離，不過(guò)其單位爲 0.01m，因此應把(ba)計數顯示器(qì)的小數點點(dian)在百位數和(he)個位📞數㊙️之問(wen)🔞，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(néng)

本設計(jì)主要的實現(xiàn)功能如下：

由單片機(ji)産生頻率爲(wei) 40kHz的方波(bo)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(chū)探頭🏃‍♂️與障礙(ai)物之間💋的距(ju)離，這就是被(bei)測距離。

技術指标：

設計精度(du)爲 lcm，也就(jiù)是 0.0lm。可測(cè)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(ma)管顯示 )，集成運放 (CX20106)，集成放大(da)器 (LM386)，超聲(shēng)波發射，接收(shōu)探頭。

4.3 系(xì)統方案

要使整個系(xi)統能夠正常(cháng)、順利的工作(zuo)，就得有一個(gè)🚶好的硬件和(hé)軟件。

本(ben)方案以單片(piàn)機 ATMEL 89C2051爲核(he)心，通過對其(qi)進行軟件編(biān)程，實現該單(dan)片機對其外(wai)圍電路的适(shì)時控制，并提(ti)供給外圍電(dian)路各種所需(xū)的信号，包括(kuò)頻🆚率振蕩信(xin)号、數據處理(li)信号等等，大(dà)大❓簡化了✌️外(wài)圍電路的設(shè)計難度，同時(shi)更重要的是(shì)該種設計方(fāng)案大大節省(sheng)了設計成本(ben)，并且由于是(shi)采用軟件編(bian)程技術，所以(yǐ)其移植‼️性能(néng)好，在設計電(diàn)路時可以将(jiang)其他更多的(de)💯功能設計進(jìn)去，而我們在(zài)設計電路闆(pǎn)時就可以根(gen)據自己的設(shè)計目的✊焊接(jie)元件。

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

在超聲波接(jie)收端設計了(le)一個信号放(fàng)大電路，采用(yong)🐪兩級同相交(jiāo)流放大器，通(tōng)過參數設置(zhì)，每一級放大(da)😍了約 20倍(bèi)，這樣經過兩(liang)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(wan)夠被後續檢(jian)測電路檢測(cè)到。接收傳感(gan)器 L2将反(fan)射的超聲波(bō)轉換爲電信(xin)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(li)成規範的方(fang)脈沖🏒。電❄️阻 R11和電位器(qì) R12爲同相(xiàng)端提供直流(liú)偏置電位。需(xu)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(kě)以很好地穩(wen)定運放 A741的直流工作(zuo)點，不緻于使(shi)其同相輸入(rù)端出現浮動(dong)狀态🌈，而造成(cheng)輸入信号不(bú)穩定。

由(you)于本超聲波(bō)測距系統精(jing)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(yòng)到了三個🔞數(shu)碼管，其可以(yǐ)顯示範圍爲(wei) 0． Olm至(zhi) 9． 99m，爲(wei)了節省硬件(jian)開銷，本距離(li)顯示電路沒(méi)有使用譯碼(mǎ)器，而是❗直接(jie)有效地利用(yong)了單片機的(de)有限端口來(lái)進行譯碼顯(xiǎn)示，但☔是zui後由(you)于仍然缺少(shǎo)一個端口，故(gu)用到💃🏻了一個(gè)二一四👣譯碼(mǎ)器 74LS139。

經過老師指(zhi)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(xīn)片 LM386發射(she)，不使用原有(you)的門控電路(lu)。原超聲波接(jie)收電路🔱改成(chéng)🤟用集成 CX20106，省掉了之前(qián)的放大電路(lu)。由于采取了(le)系統優化方(fang)💞案，大大✊節省(shěng)了單片機的(de)接口，原本因(yin)爲單片機機(jī)⁉️接口不夠而(er)擴🈲展的 74LS139芯片被省略(lue)，數碼管位選(xuan)直接接在單(dān)片機接口上(shang)。這些✨優㊙️化大(dà)大簡化了設(she)計的複雜度(du)和焊接時的(de)困難度。

在軟件方面(miàn)采用 C語(yu)言來編程，用(yòng) 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(jian)的可讀性，便(bian)于改進和擴(kuo)充。