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

1 智(zhi)能超聲(sheng)波距離(lí)提示器(qi)

1． 1 什麽(me)是超聲(sheng)波測距(ju)

超(chāo)聲波是(shì)指超過(guo)人的聽(tīng)覺範圍(wéi)以上 (16KHZ)的聲(sheng)波。近二(er)、三十年(nián) ,特(tè)别是近(jìn)十年來(lai)，由于電(diàn)子技術(shu)及壓電(diàn)陶瓷材(cái)料的發(fa)展，使超(chao)聲檢測(ce)技術得(dé)到了迅(xun)速的發(fa)展。超聲(shēng)技術是(shi)一門以(yǐ)物理💜、電(diàn)子、機械(xie)、及材料(liao)學爲基(jī)礎的通(tong)用技術(shu)之一。超(chāo)聲技術(shu)是通過(guò)超聲波(bo)産生、傳(chuán)播及接(jiē)收的物(wu)理過程(chéng)而完成(cheng)的。超聲(sheng)波具有(yǒu)聚束、定(dìng)🔴向及反(fan)射、透🐉射(she)等特性(xing)。

超(chao)聲檢測(ce)技術是(shì)利用超(chao)聲波在(zai)媒質中(zhōng)的傳播(bo)特性 (聲速(su)、衰減、反(fan)射、聲阻(zu)抗等 )來實(shi)現對非(fei)聲學量(liang) (如(rú)密度、濃(nóng)度、強度(dù)、彈性、硬(yìng)度、粘度(dù)、溫度、流(liu)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(dao)不同的(de)界面，将(jiang)産生反(fan)射，折射(she)，繞射，衰(shuai)減等現(xiàn)♌象，從而(er)使🧑🏾‍🤝‍🧑🏼傳播(bo)的聲時(shi)，振幅，波(bō)形，頻率(lü)等發生(sheng)相應變(bian)化，測定(dìng)這些規(guī)律的變(biàn)化，便可(kě)得到材(cái)料的某(mou)些性質(zhì)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(jì)術具有(yǒu)以下特(te)點：在不(bu)破壞媒(mei)質特性(xìng)的情況(kuàng)下實現(xiàn)非接觸(chù)性測量(liang)，環境适(shi)應能力(lì)強，可⚽實(shí)現在線(xian)😄測量。

1． 2 超聲波(bō)發生器(qì)的種類(lei)

爲(wèi)了研究(jiu)和利用(yong)超聲波(bō)，人們已(yi)經設計(ji)和制成(cheng)了許多(duo)🔞超聲波(bo)發生器(qi)。總體上(shang)講，超聲(sheng)波發生(shēng)器可以(yǐ)🏒分爲兩(liang)大❤️類：一(yi)類是用(yòng)電🈲器方(fāng)式産生(sheng)超聲波(bō)，一類是(shì)用機械(xiè)方式産(chǎn)生超聲(sheng)波，電器(qi)方式包(bao)括壓電(diàn)型，磁緻(zhi)伸縮型(xíng)和電動(dòng)型等；機(jī)械方式(shì)有加😘爾(er)統笛，液(yè)哨和氣(qi)流旋笛(di)等。它們(men)所産生(shēng)的超聲(shēng)🥰波的頻(pín)率，功🔴率(lü)和聲波(bō)特性各(gè)不相同(tong)，因而用(yong)途也各(gè)不相同(tong)。目前較(jiao)爲常用(yong)的是壓(ya)電式超(chāo)聲波發(fā)生器。雅(yǎ)典市超(chao)聲波發(fā)生器實(shi)際上🏃‍♂️是(shì)利用壓(yā)電晶體(ti)🈲的諧振(zhen)來工作(zuo)的。

它有兩(liang)個壓電(diàn)晶片和(he)一個共(gòng)振闆。當(dang)它的兩(liǎng)極外💃加(jiā)脈沖信(xin)号，其頻(pín)率等于(yú)壓電晶(jing)片的固(gù)有震蕩(dàng)頻🏃率時(shi)，壓電晶(jīng)片将會(hui)💃🏻發生共(gòng)振，并帶(dài)動共振(zhen)闆振動(dong)，便産生(shēng)超聲波(bo)。反之，如(ru)果兩電(diàn)極間外(wai)未加電(dian)壓，當共(gong)振闆接(jie)受到超(chāo)聲波時(shi)，将壓❗迫(pò)壓電晶(jing)片做震(zhen)動☎️，将機(jī)械能轉(zhuan)換爲點(dian)信号，這(zhe)時它就(jiù)成爲超(chāo)聲波接(jie)受器了(le)。

2 研(yan)究的意(yì)義

2.1 超聲波(bo)用于距(jù)離測量(liàng)的優勢(shì)

由(yóu)于超聲(sheng)波頻率(lǜ)較高，沿(yán)直線傳(chuan)播，繞射(she)小，穿透(tòu)力⭐強，指(zhi)向性強(qiáng)，傳輸過(guo)程中衰(shuai)減少，能(neng)量消耗(hao)緩慢，在(zai)介質中(zhong)傳播的(de)🍉距離較(jiao)遠，遇到(dào)雜質或(huò)分界面(mian)時會産(chǎn)生反射(shè)波，因而(ér)超聲🏃🏻波(bō)經常用(yòng)于距離(li)的測量(liang)。超聲波(bō)有兩個(gè)特點，一(yī)個是能(néng)量大，一(yī)個是沿(yán)直線傳(chuán)播，它的(de)應用就(jiù)是按照(zhao)這🚶‍♀️兩個(ge)特點展(zhan)💋開的。

超聲(shēng)波與一(yī)般聲波(bō)比較，它(tā)的振動(dòng)頻率高(gao)，而且波(bō)長短，因(yin)而具有(yǒu)束射特(tè)性，方向(xiang)性強，可(ke)以定向(xiang)傳播，其(qí)能📐量遠(yuan)遠大❤️于(yú)振幅相(xiàng)同的一(yī)般聲波(bō)，并且具(ju)有很高(gāo)的穿透(tou)能👨‍❤️‍👨力。

2.2 研究(jiū)的意義(yi)

本(ben)設計采(cai)用單片(pian)機來實(shí)現智能(neng)超聲波(bo)測距，雖(sui)其在功(gong)能上是(shì)不能與(yu)商品的(de)，高精度(dù)的智能(neng)超聲波(bō)測距💰儀(yi)相🚶‍♀️比的(de)，但優點(dian)在于系(xi)統規模(mó)較小，器(qì)件更換(huan)容易，成(chéng)本低💋，有(you)一定靈(ling)活性。但(dàn)不适宜(yí)用于測(cè)量過于(yu)或者過(guò)大的距(jù)離，容易(yì)産生誤(wu)差。

3 研究的(de)關鍵技(jì)術

3.1 頻率發(fā)生

本設計(jì)中共用(yong)到了兩(liǎng)個重要(yào)的頻率(lǜ) ,爲(wei)了實現(xian)輸出頻(pín)率的性(xìng) ,在(zai)設計時(shí)用到了(le)單片機(ji) ,因(yīn)爲頻率(lü)發生電(dian)路是整(zhěng)個電路(lu)的核心(xin) ,有(you)單片機(jī)發生的(de)頻率必(bì)須準确(què) ,否(fǒu)則測得(dé)的距離(lí)顯示會(huì)産生很(hen)大誤差(cha)。在考慮(lü)整體🙇‍♀️方(fang)🚶案🔞的🔞時(shí)候，也想(xiǎng)到用一(yī)片單片(piàn)集成電(diàn)路來完(wan)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(lù)的功能(néng)，但是要(yào)想實✨現(xian)高精度(du)要求，有(yǒu)些困難(nan)。zui後還是(shi)選擇用(yong)單片機(jī)來完成(chéng)頻🙇🏻率的(de)産生工(gōng)作。

*個頻率(lü)，超聲波(bo)的發射(shè)中心頻(pin)率，信号(hao)本來就(jiù)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(shí)器由軟(ruan)件編程(cheng)所産生(sheng)，具體🍉需(xū)要由程(cheng)序來設(shè)定。

第二個(gè)頻率就(jiu)是單片(pian)機進行(hang)數碼顯(xiǎn)示的計(ji)數頻率(lǜ)，在計算(suàn)之前首(shǒu)先要明(míng)确我們(men)要設計(ji)的超聲(shēng)波🥵測距(jù)精度是(shì)多少，而(er)在本設(shè)計中，設(she)計精度(du)爲 lcm，也是 0.01m，超聲(shēng)波發射(shè)器的聲(sheng)波傳播(bō)到反射(she)物，再由(yóu)反射物(wù)反射到(dào)接收器(qì)，所傳播(bō)的距離(li)爲 2倍測量(liang)距離，而(ér)大家知(zhi)道，聲波(bo)在标準(zhǔn)氣壓下(xià) 15℃的(de)傳播速(su)度爲 341m／ s，因此，我(wǒ)們要設(shè)計成在(zài)一個時(shi)鍾周期(qī)内超聲(sheng)波所傳(chuán)💔播😍的距(ju)離爲 0.02mm，這樣(yàng)便可以(yǐ)計算出(chū)定時器(qi)的溢出(chu)頻率是(shi) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是(shì) 17.05kHz，這(zhe)樣在一(yī)個時鍾(zhong)周期内(nei)所測的(de)距離便(bian)爲 0.01m。 N個(gè)周期所(suǒ)測的距(ju)離爲 N×； 0.01m， N個(gè)周期有(you) N個(ge)方脈沖(chòng)，也就是(shi)說，計數(shù)器測得(de)的脈沖(chong)數 N即爲被(bei)測距離(li)，不過其(qi)單位爲(wei) 0.01m，因(yīn)此應把(ba)計數顯(xian)示器的(de)小數點(diǎn)點在百(bai)位數和(hé)個✉️位數(shù)⭐之問☎️，那(na)麽示值(zhí)是以“米(mǐ)"爲單位(wèi)，其zui大顯(xiǎn)示值爲(wèi) 9.99m。

4 設計(ji)方案

4.1 實現(xiàn)功能

本設(she)計主要(yao)的實現(xian)功能如(ru)下：

由單片(piàn)機産生(shēng)頻率爲(wèi) 40kHz的(de)方波脈(mò)沖信号(hào)，超聲波(bo)發射端(duān)發出信(xin)号，遇到(dao)障礙物(wù)返回，被(bèi)接收端(duān)接收到(dao)。由單片(pian)機計算(suan)出探頭(tóu)與障礙(ai)物之間(jiān)的距離(li)，這就是(shì)被測距(jù)離。

技術指(zhǐ)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(tǒng)的基本(běn)組成包(bao)括：單片(piàn)機 (89C2051)， LCD(數(shu)碼管顯(xiǎn)示 )，集成運(yùn)放 (CX20106)，集成放(fàng)大器 (LM386)，超聲(sheng)波發射(shè)，接收探(tàn)頭。

4.3 系統方(fang)案

要使整(zheng)個系統(tong)能夠正(zhèng)常、順利(lì)的工作(zuò)，就得有(you)一個好(hao)的硬📱件(jian)和軟件(jian)。

本(ben)方案以(yi)單片機(ji) ATMEL 89C2051爲(wei)核心，通(tong)過對其(qí)進行軟(ruǎn)件編程(cheng)，實現該(gāi)單片機(ji)對其外(wai)圍電路(lu)的适時(shí)控制，并(bìng)提供給(gei)外圍電(dian)路各種(zhong)♈所需的(de)信♌号，包(bao)括頻率(lü)振蕩信(xin)号、數據(ju)處理信(xin)号等等(deng)，大大簡(jian)化了外(wai)圍電路(lu)的設計(jì)難度，同(tóng)時更重(zhong)要🚶的是(shì)該種設(she)計方案(àn)大大節(jiē)省了設(she)計成本(ben)，并且由(you)🏃🏻于是采(cai)用軟件(jiàn)編程技(ji)術，所以(yǐ)其移植(zhí)性能好(hao)，在設計(ji)電路時(shí)可以将(jiang)其他更(gèng)多的功(gong)能設計(ji)進去，而(er)我們在(zài)設計電(diàn)路闆時(shi)就可以(yi)根據自(zi)己的設(shè)計目的(de)焊接元(yuan)件。

在初始(shi)方案設(she)計時，我(wo)打算在(zai)超聲波(bō)發射端(duān)使用 RS觸發(fā)器 CD4013作爲門(men)控電路(lù)，當 R=1； (S=0)時(shí)複位，即(ji) Q=0； S=l(R=0)時置(zhi)位，當上(shàng)電複位(wei)時， D觸發器(qi) CD4013的(de) Q腳(jiǎo)輸出低(di)電平加(jia)到單片(pian)機的 P3-3口，不(bu)啓動内(nei)部計數(shù)器，處于(yu)等待狀(zhuàng)态。

在超聲(sheng)波接收(shōu)端設計(jì)了一個(ge)信号放(fang)大電路(lu)，采用兩(liǎng)級同相(xiang)🐆交流放(fang)大器，通(tōng)過參數(shù)設置，每(mei)一級放(fàng)大了約(yuē) 20倍(bèi)，這樣經(jīng)過兩級(jí)放大後(hòu)，接收到(dao)的超聲(sheng)波信号(hao)就❤️被放(fang)大了幾(ji)📞乎是 400倍，完(wan)夠被後(hòu)續檢測(ce)電路檢(jiǎn)測到。接(jiē)收傳感(gǎn)器 L2将反射(she)的超聲(sheng)波轉換(huan)爲電信(xin)号後，由(you)放大器(qi)放大後(hou)再送到(dao)由 U1B、 U1C等(deng)組成的(de)斯密特(te)整形電(dian)路整理(li)成規範(fan)的方脈(mo)沖。電阻(zǔ) R11和(he)電位器(qì) R12爲(wèi)同相端(duan)提供直(zhi)流偏置(zhì)電位。需(xu)要注意(yi)的是這(zhe)兩個直(zhí)流偏👉置(zhì)電阻的(de)作用是(shi)相當重(zhong)要的，它(tā)可以很(hěn)好地穩(wěn)定運放(fàng) A741的(de)直流工(gōng)作點，不(bu)緻于使(shi)其同相(xiàng)輸入端(duān)出現浮(fú)動📧狀🛀🏻态(tài)，而造成(cheng)輸入信(xìn)号不穩(wěn)定。

由于本(běn)超聲波(bo)測距系(xi)統精度(du)要求是(shì) lcm，故(gù)本人在(zài)進行距(jù)離顯示(shì)電路部(bu)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(wèi) 0． Olm至 9． 99m，爲了節(jiē)省硬件(jiàn)開銷，本(ben)距離顯(xian)示電路(lù)沒有使(shi)用譯碼(mǎ)器，而是(shì)直接有(yǒu)效地利(lì)用了單(dan)片機的(de)有限端(duān)口來進(jin)行譯🌈碼(mǎ)顯示，但(dan)是zui後由(you)于仍然(rán)缺少一(yī)個端口(kǒu)，故用到(dao)了一個(ge)二一四(sì)㊙️譯碼器(qi) 74LS139。

經過(guò)老師指(zhǐ)導，對初(chū)始設計(jì)方案進(jin)行修改(gai)，将原超(chao)聲波🌏發(fā)射電路(lù)改成用(yòng)芯片 LM386發射(she)，不使用(yong)原有的(de)門控電(diàn)路。原超(chao)聲波接(jiē)收電路(lù)🔴改成用(yòng)集🥵成 CX20106，省掉(diao)了之前(qian)的放大(da)電路。由(yóu)于采取(qu)了系統(tǒng)優化方(fāng)案✂️，大⛷️大(dà)👈節省😘了(le)單片機(ji)的接口(kou)，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(bei)省略，數(shù)碼管位(wei)選直接(jiē)接在單(dān)片機接(jiē)口上。這(zhè)些優化(hua)大大簡(jian)化了設(shè)計的複(fu)雜度和(hé)焊接時(shi)的困難(nán)度。

在軟件(jian)方面采(cǎi)用 C語言來(lai)編程，用(yong) C語(yu)言來編(biān)寫目标(biāo)系統軟(ruǎn)件，會大(da)大縮短(duǎn)開發周(zhōu)期，且明(ming)顯地增(zēng)加軟件(jiàn)的可讀(dú)性，便于(yú)改進和(he)擴充。