如何(he)使超聲(shēng)波設計(ji)中應用(yong)及擴充(chōng)

1 智(zhi)能超聲(shēng)波距離(li)提示器(qi)

1． 1 什麽(me)是超聲(sheng)波測距(jù)

超(chao)聲波是(shì)指超過(guò)人的聽(tīng)覺範圍(wei)以上 (16KHZ)的聲(sheng)波。近二(er)、三十年(nian) ,特(tè)别是近(jin)十年來(lai)，由于電(diàn)子技術(shù)及壓電(dian)陶瓷材(cai)料的發(fa)展，使超(chāo)聲檢測(cè)技術得(de)到了迅(xun)速的發(fā)展。超聲(shēng)技術是(shì)一門以(yǐ)🐇物理、電(diàn)子、機械(xiè)、及材料(liào)學爲基(jī)礎的通(tong)用技術(shù)之一。超(chāo)聲技術(shu)是通過(guo)超聲🙇🏻波(bō)産生、傳(chuán)播🔴及接(jie)收的物(wu)理過程(cheng)而完成(chéng)的。超聲(shēng)波具有(you)聚束、定(ding)向及反(fan)射、透🐪射(shè)等特性(xing)。

超(chāo)聲檢測(cè)技術是(shi)利用超(chao)聲波在(zài)媒質中(zhōng)的傳播(bo)特性 (聲速(sù)、衰減、反(fan)射、聲阻(zǔ)抗等 )來實(shí)現對非(fei)聲學量(liang) (如(ru)密度、濃(nong)度、強度(du)、彈性、硬(yìng)度、粘度(dù)、溫度、流(liú)速、流量(liàng)、液位、厚(hou)度、缺陷(xian)等 )的測定(ding)。它的基(jī)本原理(lǐ)是基于(yú)超聲波(bō)在介質(zhì)中傳播(bo)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(bo)的聲時(shi)，振幅，波(bō)形，頻率(lǜ)等發生(shēng)相應變(biàn)💚化，測定(dìng)這些規(gui)🔆律的變(bian)化，便可(kě)得到材(cai)料的某(mǒu)些性質(zhi)🥰與内部(bu)構造情(qing)況。與😍傳(chuan)統超聲(shēng)技術*不(bu)同☂️，新的(de)超聲技(jì)術具有(yǒu)以下特(tè)點：在不(bú)破壞媒(méi)質特性(xing)的情況(kuàng)下實現(xian)非接觸(chu)性測量(liang)，環境适(shi)應能力(li)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(wei)了研究(jiu)和利用(yòng)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(qì)。總體上(shang)講，超聲(sheng)波發生(shēng)器可以(yi)🔴分爲兩(liang)大類：一(yī)類是用(yong)電㊙️器方(fāng)式産生(shēng)超聲波(bo)，一類是(shì)用機🐪械(xiè)方式産(chan)生超🐪聲(sheng)波，電器(qi)方式包(bao)括壓電(dian)型，磁緻(zhi)伸縮型(xing)和電動(dòng)型等；機(ji)械方式(shi)有加爾(er)統笛，液(ye)哨和氣(qi)流旋🏃🏻‍♂️笛(di)等。它們(men)所産生(shēng)的超聲(shēng)🔞波的頻(pin)率，功率(lǜ)和聲波(bō)特性各(ge)不相同(tong)，因而用(yòng)途也各(ge)不相同(tong)。目💔前較(jiao)爲常用(yong)的是壓(ya)電式♻️超(chao)聲波發(fa)生器。雅(ya)典市超(chāo)聲波發(fa)生器實(shí)際上🔱是(shi)利用壓(ya)電晶體(tǐ)的諧振(zhen)來工作(zuo)的。

它有兩(liang)個壓電(diàn)晶片和(hé)一個共(gong)振闆。當(dāng)它的兩(liang)極外加(jiā)😘脈沖信(xìn)⚽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(jing)片将會(huì)發生共(gong)振，并帶(dài)動共振(zhèn)闆振動(dong)，便産生(sheng)超聲波(bo)。反之，如(ru)果兩電(dian)極間外(wài)未加電(diàn)壓，當🍉共(gòng)振闆接(jiē)受到超(chao)聲波時(shi)，将壓迫(pò)壓電晶(jing)片做震(zhen)動♋，将機(ji)械能轉(zhuǎn)🌈換爲點(dian)信号🙇‍♀️，這(zhè)時它就(jiu)成爲超(chāo)聲波接(jiē)受器了(le)。

2 研(yan)究的意(yi)義

2.1 超聲波(bo)用于距(ju)離測量(liàng)的優勢(shì)

由(yóu)于超聲(sheng)波頻率(lü)較高，沿(yan)直線傳(chuan)播，繞射(she)小，穿透(tòu)力強，指(zhǐ)向性♍強(qiang)，傳輸過(guò)程中衰(shuāi)減少，能(néng)量消耗(hao)緩慢，在(zai)介質中(zhong)傳播的(de)距離較(jiào)遠，遇到(dao)雜質或(huò)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(bō)有兩個(ge)特點，一(yi)個是能(neng)量🌈大，一(yī)個是沿(yán)直線傳(chuán)播，它的(de)應用就(jiu)是按照(zhào)這兩個(ge)特點展(zhan)開的。

超聲(sheng)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(you)束射特(te)性，方向(xiàng)性強，可(kě)以定向(xiang)傳播，其(qí)能量遠(yuan)🈲遠大于(yú)振✏️幅相(xiàng)同的一(yi)般聲波(bo)，并且具(jù)有很高(gāo)的穿透(tou)能力。

2.2 研究(jiu)的意義(yì)

本(běn)設計采(cai)用單片(pian)機來實(shí)現智能(neng)超聲波(bō)測距，雖(sui)其🌈在🌈功(gōng)能上☁️是(shi)不能與(yu)商品的(de)，高精度(dù)的智能(néng)超聲波(bo)測距儀(yi)相比的(de)🤞，但優點(dian)在👈于系(xì)統規模(mó)較小，器(qì)件更換(huàn)容易，成(cheng)本低，有(you)一定靈(ling)活性。但(dàn)不适宜(yí)用于測(ce)量過于(yu)或者⛷️過(guò)大的距(jù)離，容易(yi)産生誤(wù)差。

3 研究的(de)關鍵技(ji)術

3.1 頻率發(fa)生

本設計(ji)中共用(yòng)到了兩(liang)個重要(yao)的頻率(lü) ,爲(wèi)了實現(xian)輸出頻(pin)率的性(xìng) ,在(zài)設計時(shí)用到了(le)單片機(ji) ,因(yin)爲頻率(lǜ)發生電(dian)路是整(zhěng)個電路(lù)的核心(xin) ,有(yǒu)單片機(ji)發生的(de)頻率必(bì)須準确(que) ,否(fǒu)則測得(de)的距離(lí)顯示會(huì)産生很(hen)大誤差(chà)。在考慮(lǜ)整體方(fāng)案✂️的時(shi)候，也想(xiang)到用一(yī)片單片(piàn)集成電(dian)路來完(wan)♋成頻率(lü)信号的(de)産生及(jí)其🧡分類(lèi)工作，也(yě)*可以實(shí)現電路(lu)的功能(néng)，但是要(yao)想實現(xian)高精度(du)要求，有(you)些困難(nan)。zui後♌還是(shi)選擇用(yòng)單片機(ji)來完成(chéng)頻🐅率的(de)産生工(gong)作。

*個頻率(lü)，超聲波(bō)的發射(she)中心頻(pin)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(pian)機内部(bù)的定時(shí)器由軟(ruǎn)件編程(cheng)所産生(shēng)，具體需(xu)要由程(chéng)序來設(shè)定。

第二個(ge)頻率就(jiu)是單片(piàn)機進行(hang)數碼顯(xiǎn)示的計(ji)數頻率(lü)，在計算(suan)之前首(shǒu)先要明(ming)确我們(men)要設計(ji)的超聲(shēng)波測距(jù)精度是(shì)多㊙️少，而(ér)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(shēng)波傳播(bo)到反射(shè)物，再由(you)反射物(wu)反射到(dao)接收器(qì)，所傳播(bo)的距離(li)爲 2倍測量(liàng)距離，而(ér)大家知(zhi)道，聲波(bō)在标準(zhǔn)氣壓下(xià) 15℃的(de)傳播速(sù)度爲 341m／ s，因此，我(wo)們要設(shè)計成在(zai)一個時(shí)鍾周期(qi)内超聲(shēng)波所傳(chuan)播的距(jù)👉離爲 0.02mm，這樣(yàng)便可以(yi)計算出(chu)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(zhè)樣在一(yī)個時鍾(zhōng)周期内(nèi)所測的(de)距離便(bian)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(you) N個(ge)方脈沖(chong)，也就是(shi)說，計數(shù)器測得(dé)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(yin)此應把(bǎ)計數顯(xiǎn)示器的(de)小數點(dian)點在百(bǎi)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(wèi)‼️ 9.99m。

4 設計(ji)方案

4.1 實現(xian)功能

本設(she)計主要(yào)的實現(xian)功能如(rú)下：

由單片(pian)機産生(shēng)頻率爲(wei) 40kHz的(de)方波脈(mo)沖信号(hao)，超聲波(bo)發射端(duān)發出信(xìn)号，遇到(dao)障🤞礙物(wu)返回🔞，被(bei)接收端(duan)接收到(dao)。由單片(piàn)機計算(suan)出探頭(tóu)與障礙(ài)物之間(jiān)的距離(li)，這就是(shi)被測距(ju)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(yóu) 0m至(zhi) 9.99m。

4.2 系統(tong)結構

系統(tong)的基本(běn)組成包(bao)括：單片(pian)機 (89C2051)， LCD(數(shu)碼管顯(xian)示 )，集成運(yun)放 (CX20106)，集成放(fàng)大器 (LM386)，超聲(sheng)波發射(she)，接收探(tan)頭。

4.3 系統方(fang)案

要使整(zhěng)個系統(tong)能夠正(zhèng)常、順利(li)的工作(zuò)，就得有(yǒu)一個好(hǎo)的硬件(jian)和軟件(jiàn)。

本(běn)方案以(yǐ)單片機(jī) 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(lù)✂️的适時(shí)控制，并(bing)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(xìn)号等等(děng)，大大簡(jian)化了外(wài)圍電❗路(lu)的設計(jì)難度🔅，同(tong)時更重(zhong)要的是(shi)該種設(shè)計方案(àn)大大節(jie)省了設(shè)計成本(ben)，并且由(yóu)于是采(cai)用軟件(jiàn)編程技(jì)術，所以(yǐ)其移植(zhí)性能好(hao)，在設計(jì)電路時(shi)可以✏️将(jiang)其他更(gèng)多的功(gōng)能設計(ji)進去，而(ér)我們在(zai)設計電(dian)路闆時(shí)就可以(yǐ)根據自(zi)己的設(shè)計目的(de)🈚焊接元(yuan)件。

在初始(shi)方案設(shè)計時，我(wǒ)打算在(zai)超聲波(bō)發射端(duan)使用 RS觸發(fā)器 CD4013作爲門(mén)控電路(lu)，當 R=1； (S=0)時(shi)複位，即(ji) Q=0； S=l(R=0)時置(zhì)位，當上(shàng)電複位(wei)時， D觸發器(qi) CD4013的(de) Q腳(jiao)輸出低(di)電平加(jia)到單片(piàn)機的 P3-3口，不(bú)啓動内(nèi)部計數(shù)器，處于(yu)等待狀(zhuang)态。

在超聲(sheng)波接收(shou)端設計(jì)了一個(gè)信号放(fàng)大電路(lu)，采用👄兩(liang)級同相(xiang)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼交‼️流放(fang)大器，通(tong)過參數(shù)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(hou)，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(hou)續檢測(ce)電路檢(jiǎn)測到。接(jie)收傳感(gan)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(qì)放大後(hòu)再送到(dào)由 U1B、 U1C等(deng)組成的(de)斯密特(tè)整形電(diàn)路整理(li)成規範(fan)的方脈(mò)沖。電阻(zǔ) R11和(hé)電位器(qì) R12爲(wei)同相端(duan)提供直(zhí)流偏置(zhì)電位。需(xū)要注意(yì)的是這(zhè)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(hěn)🌂好地穩(wen)定運放(fàng) A741的(de)直流工(gong)作點，不(bú)緻于使(shi)其同相(xiang)輸入端(duan)出現浮(fu)動狀态(tai)，而造成(cheng)⭐輸入信(xìn)号不穩(wen)定。

由于本(ben)超聲波(bō)測距系(xi)統精度(dù)要求是(shì) lcm，故(gu)本人在(zài)進行距(jù)離顯示(shi)電路部(bù)分的設(shè)計時用(yong)到了㊙️三(sān)個數🐅碼(ma)🔞管，其可(ke)以顯示(shì)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(lù)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(jìn)行譯碼(mǎ)顯示，但(dan)是zui後由(yóu)于仍然(ran)缺少一(yi)個端口(kǒu)，故用到(dao)💁了一個(gè)二一四(si)譯碼器(qi) 74LS139。

經過(guo)老師指(zhǐ)導，對初(chu)始設計(jì)方案進(jìn)行修改(gai)，将原超(chāo)聲波發(fa)射電路(lu)改成用(yong)芯片 LM386發射(shè)，不使用(yong)原有的(de)門控電(dian)路。原超(chāo)聲波接(jie)收電路(lù)🚩改成用(yòng)集成 CX20106，省掉(diao)了之前(qián)的放大(da)電路。由(you)于采取(qǔ)了系統(tong)優化方(fāng)案，大大(dà)節省了(le)單片機(ji)的接口(kou)，原本因(yīn)爲單片(piàn)機機⛹🏻‍♀️接(jiē)口🌍不夠(gòu)🔴而擴展(zhan)的 74LS139芯片被(bei)省略，數(shù)碼管位(wèi)選直接(jiē)接在單(dān)片機接(jie)口上。這(zhè)些優🧑🏾‍🤝‍🧑🏼化(hua)大大簡(jiǎn)化了設(shè)計的複(fú)雜度和(hé)焊接時(shí)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(yǔ)言來編(bian)寫目标(biao)系統軟(ruan)件，會大(dà)大縮短(duǎn)開發周(zhōu)期，且明(ming)顯🙇🏻地增(zeng)加軟件(jian)的可讀(dú)性，便于(yu)改進和(hé)擴充。