如何(hé)使超聲(shēng)波設計(jì)中應用(yong)及擴充(chōng)

1 智(zhi)能超聲(sheng)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(guo)人的聽(tīng)覺範圍(wei)以上 (16KHZ)的聲(shēng)波。近二(èr)、三十年(nian) ,特(te)别是近(jìn)十年來(lai)，由于電(diàn)子技術(shù)及壓電(dian)陶瓷材(cái)料的發(fā)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(shi)一門以(yi)⭐物理、電(diàn)子、機械(xie)、及材料(liao)學爲基(ji)礎的🈲通(tōng)用技術(shù)之一。超(chāo)聲技術(shu)是通過(guo)超聲波(bo)産生、傳(chuan)播及接(jie)收的物(wu)理過程(chéng)而完成(chéng)的。超聲(sheng)波具♻️有(yǒu)聚束、定(ding)向及反(fǎn)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(zai)媒質中(zhōng)的傳播(bo)特性 (聲速(su)、衰減、反(fǎn)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(du)、彈性、硬(ying)度、粘度(du)、溫度、流(liú)速、流量(liang)、液位、厚(hou)✔️度、缺陷(xian)等 )的測定(ding)。它的基(jī)本原理(lǐ)是基于(yu)超聲波(bō)在介質(zhi)中傳播(bō)🔴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(xiàn)象，從而(ér)使傳播(bo)的聲時(shí)，振幅，波(bō)形，頻率(lǜ)等發生(shēng)相應變(biàn)化，測定(ding)🈲這些規(guī)律的變(bian)🛀🏻化，便可(kě)得到材(cái)料的某(mou)些性質(zhi)與内部(bù)構造情(qíng)況。與傳(chuán)統超聲(shēng)✨技術*不(bú)同💔，新的(de)超聲技(ji)術具有(yǒu)以下特(te)點：在不(bú)破🏒壞媒(mei)質特性(xing)⛷️的情況(kuang)下實現(xian)非接觸(chu)性測量(liàng)，環境适(shì)應能力(li)強，可💚實(shí)現在線(xiàn)🔴測量。

1． 2 超聲波(bō)發生器(qi)的種類(lèi)

爲(wei)了研究(jiū)和利用(yòng)超聲波(bo)，人們已(yi)經設計(ji)和制成(chéng)了許多(duō)🔞超聲波(bō)發生器(qì)。總體上(shang)講，超聲(shēng)波發生(sheng)器可以(yi)分爲兩(liang)大類：一(yi)類是用(yòng)電器方(fāng)式産生(sheng)超聲波(bo)，一類是(shì)用機械(xie)方式産(chǎn)生超💃聲(shēng)波，電器(qì)方式包(bao)括壓電(dian)型，磁緻(zhi)伸縮型(xíng)和電動(dong)型等；機(ji)械方式(shi)有加爾(ěr)統笛，液(ye)📐哨和氣(qì)流旋❄️笛(dí)等。它們(men)所💞産生(sheng)的超聲(sheng)波的頻(pín)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(tóng)。目前較(jiao)爲常用(yòng)的是壓(yā)電式超(chao)聲波發(fa)🌈生器。雅(yǎ)典市超(chāo)聲波發(fa)生器實(shí)際上是(shì)利用壓(yā)電晶體(tǐ)的諧振(zhen)來工作(zuo)的。

它有兩(liǎng)個壓電(diàn)晶片和(hé)一個共(gòng)振闆。當(dāng)它的兩(liang)極外加(jiā)脈沖信(xin)号，其頻(pin)率等于(yú)壓電晶(jīng)片的固(gu)有震蕩(dàng)頻率時(shi)，壓電💃🏻晶(jīng)片🤟将會(huì)發生共(gong)振，并帶(dai)動共振(zhèn)闆振動(dòng)，便産生(shēng)超聲波(bō)♻️。反之，如(ru)果兩電(dian)極間外(wai)未加電(diàn)壓，當共(gong)振闆接(jie)受到超(chāo)聲波時(shi)，将壓迫(po)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(jiù)成爲超(chao)聲波接(jiē)受器了(le)。

2 研(yan)究的意(yì)義

2.1 超聲波(bo)用于距(ju)離測量(liàng)的優勢(shì)

由(you)于超聲(sheng)波頻率(lü)較高，沿(yán)直線傳(chuán)播，繞射(shè)小，穿透(tou)力㊙️強，指(zhǐ)向性強(qiang)，傳輸過(guò)程中衰(shuāi)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(dao)雜質或(huò)分界面(mian)時會⭐産(chǎn)生反射(shè)波，因而(ér)超聲波(bo)經常用(yong)于距離(li)的測量(liàng)。超聲波(bo)有兩個(gè)特點，一(yī)個是能(neng)量大，一(yī)個是沿(yan)直線傳(chuan)播，它的(de)應用就(jiù)是按照(zhào)這兩個(gè)特點展(zhǎn)🈲開的。

超聲(sheng)波與一(yi)般聲波(bo)比較，它(ta)的振動(dòng)頻率高(gao)，而且波(bo)🌈長短，因(yīn)而具有(yǒu)束射特(te)性，方向(xiang)性強，可(ke)以定向(xiang)傳播，其(qí)能量遠(yuǎn)遠大于(yu)振幅相(xiàng)同的一(yi)般聲波(bō)，并且具(jù)有很高(gāo)的穿透(tòu)能力。

2.2 研究(jiū)的意義(yì)

本(ben)設計采(cai)用單片(piàn)機來實(shi)現智能(néng)超聲波(bō)測距，雖(sui)其🥰在功(gong)能💛上是(shi)不能與(yu)商品的(de)，高精度(dù)的智能(néng)超聲波(bō)測距儀(yi)相比的(de)，但優點(diǎn)在于系(xi)統規模(mo)較小，器(qi)件更換(huan)容易，成(cheng)本低，有(yǒu)一定💞靈(líng)活性。但(dan)不适宜(yi)用于測(cè)量過于(yu)或者過(guò)大的距(jù)離，容易(yi)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(yao)的頻率(lǜ) ,爲(wèi)了實現(xiàn)輸出頻(pín)率的性(xìng) ,在(zai)設計時(shí)用到了(le)單片機(jī) ,因(yīn)爲頻率(lǜ)發生電(diàn)路是整(zhěng)個電路(lù)的核心(xīn) ,有(yǒu)單片機(ji)發生的(de)頻率必(bì)須準确(què) ,否(fǒu)則測得(de)的距離(lí)顯示會(hui)産生很(hěn)大誤差(cha)。在考慮(lǜ)整體👅方(fang)💋案的時(shi)候，也想(xiǎng)到用一(yī)片單片(piàn)集成電(dian)路來完(wán)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(lù)的功能(néng)，但是要(yao)想實✊現(xiàn)高精度(du)要求🐇，有(yǒu)些困難(nán)。zui後還是(shi)選擇♻️用(yong)單片機(jī)來完成(cheng)頻率的(de)産生👨‍❤️‍👨工(gong)作。

*個頻率(lǜ)，超聲波(bō)的發射(shè)中心頻(pín)率，信号(hào)本來就(jiu)是 40kHz，并由單(dān)片機的(de) P3． 0口輸(shu)出。這是(shi)由單片(piàn)機内部(bu)的定時(shi)器由軟(ruǎn)件編程(cheng)所産生(sheng)，具體需(xū)要由程(cheng)序來設(she)定。

第二個(gè)頻率就(jiù)是單片(pian)機進行(hang)數碼顯(xian)示的計(jì)數頻率(lǜ)，在計算(suan)之前首(shou)先要明(ming)确我們(men)要設計(jì)的超聲(sheng)波測距(jù)精度是(shi)多少，而(er)在本⁉️設(she)計中，設(she)計精度(du)爲 lcm，也是 0.01m，超聲(shēng)波發射(she)器的聲(sheng)波傳播(bō)到反射(shè)物，再由(yóu)反射物(wu)反射到(dao)接收☎️器(qi)，所傳播(bo)的距離(li)爲 2倍測量(liang)距離，而(er)大家知(zhī)道，聲波(bō)在标準(zhun)氣壓下(xia) 15℃的(de)傳播速(sù)度爲 341m／ s，因此，我(wǒ)們要設(shè)計成在(zai)一個時(shí)鍾周期(qi)内超聲(sheng)波所傳(chuan)播的距(ju)離爲 0.02mm，這樣(yang)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(shi) 17.05kHz，這(zhè)樣在一(yī)個時鍾(zhōng)周期内(nèi)所測的(de)距離便(biàn)爲 0.01m。 N個(gè)周期所(suǒ)測的距(ju)離爲 N×； 0.01m， N個(ge)周期有(yǒu) N個(gè)方脈沖(chòng)，也就是(shi)說，計數(shù)器測得(de)的脈沖(chòng)數 N即爲被(bei)測距離(lí)，不過其(qi)單位爲(wèi) 0.01m，因(yin)此應把(bǎ)計數顯(xian)示器的(de)小數點(dian)點在百(bai)位數和(hé)個位數(shù)之問，那(nà)麽示值(zhí)是以“米(mǐ)"爲單位(wèi)，其zui大顯(xian)示值爲(wei) 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(xiàn)功能如(rú)下：

由單片(pian)機産生(sheng)頻率爲(wèi) 40kHz的(de)方波脈(mo)沖信号(hào)，超聲波(bō)發射端(duān)發出信(xìn)号，遇到(dào)障礙物(wù)返💚回，被(bèi)接收端(duān)接收到(dao)。由單片(piàn)機計算(suàn)出探頭(tóu)與障礙(ai)物之間(jian)的距🏒離(li)，這就是(shi)被測距(jù)離。

技術指(zhi)标：

設計精(jing)度爲 lcm，也就(jiu)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(pian)機 (89C2051)， LCD(數(shu)碼管顯(xian)示 )，集成運(yun)放 (CX20106)，集成放(fang)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(zhěng)個系統(tǒng)能夠正(zhèng)常、順利(lì)的工作(zuò)，就得有(you)一個好(hǎo)♋的💯硬件(jiàn)👄和軟件(jiàn)。

本(ben)方案以(yǐ)單片機(ji) ATMEL 89C2051爲(wèi)核心，通(tōng)過對其(qí)進行軟(ruan)件編程(cheng)，實現該(gāi)單片機(ji)對🈲其⁉️外(wài)圍🐉電路(lu)👨‍❤️‍👨的适時(shi)控制，并(bìng)提供給(gei)外圍電(diàn)路各種(zhǒng)所需的(de)信号，包(bāo)🥰括頻率(lü)振蕩信(xìn)号、數據(jù)處理信(xìn)号等等(děng)，大大簡(jiǎn)化了外(wai)圍電路(lù)的設計(jì)難度，同(tóng)時更重(zhòng)要的是(shì)該種設(she)計方案(an)大大節(jie)省🐇了設(she)計成本(ben)，并且由(you)于是采(cai)用軟件(jian)編程技(jì)術，所以(yǐ)其移植(zhi)性能好(hao)，在設計(ji)電路時(shí)可以🤞将(jiang)其他更(gèng)多的🈚功(gōng)能設計(ji)進去，而(er)我們在(zai)設計🙇‍♀️電(diàn)路闆時(shi)就可以(yi)根據自(zi)己的設(she)計目的(de)焊接元(yuán)件。

在初始(shǐ)方案設(she)計時，我(wo)打算在(zài)超聲波(bo)發射端(duan)使用🐕 RS觸發(fa)器 CD4013作爲門(men)控電路(lu)，當 R=1； (S=0)時(shi)複位，即(ji) Q=0； S=l(R=0)時置(zhi)位，當上(shàng)電複位(wèi)時， D觸發器(qì) CD4013的(de) Q腳(jiǎo)輸出低(di)電平加(jiā)到單片(piàn)機的 P3-3口，不(bu)啓動内(nèi)部計數(shu)器，處于(yú)等待狀(zhuàng)态。

在超聲(shēng)波接收(shou)端設計(jì)了一個(gè)信号放(fàng)大電路(lù)，采用兩(liang)級同相(xiang)交🌐流放(fàng)大器，通(tōng)過參數(shu)設置，每(mei)一級放(fang)大了約(yuē) 20倍(bei)，這樣經(jīng)過兩級(ji)放大後(hòu)，接收到(dao)的超聲(sheng)波信号(hào)就被放(fang)大了幾(jǐ)乎是 400倍，完(wan)夠被後(hòu)續檢測(ce)電路檢(jian)測到。接(jie)收傳感(gan)器 L2将反射(she)的超聲(shēng)波轉換(huan)爲電信(xìn)号後，由(you)放大器(qi)放大後(hòu)再🌈送到(dào)由 U1B、 U1C等(děng)組成的(de)斯密特(te)整形電(dian)路整理(lǐ)成規範(fàn)的方脈(mò)沖。電阻(zǔ)🙇‍♀️ R11和(hé)電位器(qì) R12爲(wèi)同相端(duan)提供直(zhí)流偏置(zhì)電位。需(xu)要注意(yì)的是這(zhè)兩個直(zhí)流偏置(zhi)電阻的(de)作用是(shi)相當重(zhong)要的，它(ta)可以很(hen)🈲好地穩(wen)定運放(fàng) A741的(de)直流工(gōng)作點，不(bú)緻于使(shi)其同相(xiàng)輸入端(duan)出現浮(fu)動狀态(tai)，而造🆚成(cheng)🌂輸入信(xin)号不穩(wěn)定。

由于本(ben)超聲波(bō)測距系(xì)統精度(du)要求是(shi) lcm，故(gù)本人在(zai)進行距(jù)離顯示(shi)電路部(bu)分的設(she)計時用(yòng)到了三(sān)個數碼(ma)管，其可(ke)以顯示(shi)範圍爲(wèi) 0． Olm至 9． 99m，爲了節(jie)省硬件(jiàn)開銷，本(ben)距離顯(xiǎn)示電路(lu)沒有使(shǐ)用譯碼(ma)器🌏，而是(shi)♻️直接有(yǒu)效地利(lì)用了單(dān)片機的(de)有限端(duan)口來進(jìn)行譯碼(ma)顯示，但(dàn)是zui後由(yóu)于仍然(ran)缺少一(yi)個端口(kou)，故用到(dao)了一個(ge)二一四(si)譯碼器(qì) 74LS139。

經過(guo)老師指(zhi)導，對初(chū)始設計(jì)方案進(jìn)行修改(gǎi)，将原超(chāo)聲波發(fā)射電🈲路(lu)改成用(yong)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(jie)收電路(lù)改成用(yong)集成 CX20106，省掉(diao)了之前(qián)的放大(da)電路。由(yóu)于采取(qǔ)了系統(tǒng)優化方(fang)案，大大(da)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(zhǎn)的 74LS139芯片被(bèi)省略，數(shù)碼管位(wei)選直接(jiē)接在單(dān)片機接(jiē)口上。這(zhe)些優💔化(huà)☁️大大簡(jian)化了設(she)計的複(fu)雜度和(hé)焊接時(shí)的困難(nan)度。

在軟件(jiàn)方面采(cǎi)用 C語言來(lai)編程，用(yòng) C語(yu)言來編(bian)寫目标(biao)系統軟(ruǎn)件，會大(dà)大縮短(duǎn)開發周(zhou)期，且明(míng)顯💃🏻地增(zēng)加軟件(jiàn)的可讀(dú)性，便于(yú)改進和(hé)擴充。