如何(hé)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(lí)提示器(qi)

1． 1 什麽(me)是超聲(shēng)波測距(jù)

超(chāo)聲波是(shi)指超過(guo)人的聽(ting)覺範圍(wei)以上 (16KHZ)的聲(shēng)波。近二(er)、三十年(nian) ,特(tè)别是近(jìn)十年來(lái)，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(ce)技術得(de)到了迅(xùn)速的發(fa)展。超聲(shēng)💋技術是(shì)一門以(yǐ)物理、電(dian)子、機械(xie)、及材料(liao)學爲基(jī)礎的通(tong)用技術(shù)之一。超(chao)聲技術(shu)是通過(guo)超聲🌍波(bō)産生、傳(chuán)播及接(jie)收的物(wù)理過程(chéng)而完成(chéng)的👅。超聲(sheng)波具有(yǒu)聚束、定(dìng)向及反(fan)射、透💃射(shè)等特性(xìng)。

超(chao)聲檢測(cè)技術是(shì)利用超(chāo)聲波在(zài)媒質中(zhōng)的傳播(bō)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(liàng) (如(ru)密度、濃(nong)度、強度(du)、彈性、硬(ying)度、粘度(dù)、溫度、流(liu)速、流量(liang)、液位、厚(hou)🤩度、缺陷(xian)✍️等 )的測定(dìng)。它的基(ji)本原理(lǐ)是基于(yú)超聲波(bō)在介質(zhì)中傳❓播(bō)時遇到(dào)不同的(de)界面，将(jiāng)産生反(fǎn)射，折射(shè)，繞射，衰(shuāi)減等現(xiàn)象，從而(er)使傳播(bō)的聲🧡時(shi)，振幅，波(bo)形，頻率(lü)等發生(shēng)🛀相應變(bian)化，測定(ding)🚶這些規(gui)律的變(bian)化，便可(kě)得到材(cái)料的某(mou)些性質(zhì)與内部(bu)構😘造情(qíng)況。與傳(chuan)統超聲(shēng)❄️技術*不(bu)同，新的(de)超聲技(ji)術具有(you)以下特(tè)點：在不(bu)破🈲壞媒(mei)質特性(xìng)的情況(kuàng)下實現(xiàn)非接觸(chu)性測量(liang)，環境适(shì)應能力(lì)強，可☁️實(shi)現在線(xiàn)測量。

1． 2 超聲波(bō)發生器(qì)的種類(lei)

爲(wei)了研究(jiū)和利用(yòng)超聲波(bō)，人們已(yǐ)經設計(ji)和制成(chéng)了許多(duō)❗超聲波(bō)發生器(qi)。總體上(shang)講，超聲(sheng)波發生(sheng)器可以(yi)分爲兩(liang)大類：一(yī)類是用(yong)電器方(fang)式産生(sheng)超聲波(bō)，一類是(shi)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(zhì)伸縮型(xíng)和電動(dòng)型等；機(ji)械方式(shi)有加爾(ěr)統笛，液(ye)🤞哨和氣(qi)流旋笛(di)等。它們(men)所⛷️産生(sheng)的超聲(shēng)波的頻(pin)率，功率(lǜ)和聲波(bo)特性各(gè)不相同(tong)，因而用(yong)途也各(ge)不相同(tóng)。目前較(jiào)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(fā)生器實(shi)際上♈是(shi)利用壓(yā)電晶體(ti)的諧振(zhèn)來工作(zuò)的。

它有兩(liǎng)個壓電(diàn)晶片和(he)一個共(gòng)振闆。當(dāng)它的兩(liǎng)極外加(jia)脈🥰沖信(xìn)号，其頻(pin)率等于(yu)壓電晶(jīng)片的固(gù)有震蕩(dàng)頻率時(shí)，壓電晶(jīng)片将會(huì)發生共(gòng)振，并帶(dai)動共振(zhen)闆振動(dong)，便産生(shēng)超聲波(bo)。反之，如(ru)果兩電(dian)極間外(wài)🏃未加電(dian)壓，當共(gong)振闆接(jiē)受到超(chao)聲波時(shi)，将壓迫(pò)壓電晶(jīng)片做震(zhen)動，将機(ji)械能轉(zhuǎn)換爲點(diǎn)信号，這(zhè)時它就(jiù)成爲超(chāo)聲波接(jie)受器了(le)。

2 研(yán)究的意(yì)義

2.1 超聲波(bo)用于距(jù)離測量(liàng)的優勢(shi)

由(you)于超聲(sheng)波頻率(lü)較高，沿(yán)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(neng)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(huo)分界面(mian)時會産(chan)生反射(shè)波，因而(er)超聲波(bō)經常用(yong)于距離(lí)的測量(liàng)。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(jiu)是按照(zhào)這兩個(ge)特點展(zhǎn)開的。

超聲(sheng)波與一(yi)般聲波(bō)比較，它(ta)的振動(dòng)頻率高(gao)，而且波(bo)長短，因(yīn)而具有(you)束射特(tè)性，方向(xiang)性強，可(ke)以定向(xiang)傳播，其(qi)能量遠(yuan)遠大于(yu)振幅相(xiang)同的一(yī)般聲波(bo)，并且具(ju)有👌很高(gāo)的穿透(tou)能力。

2.2 研究(jiu)的意義(yì)

本(ben)設計采(cǎi)用單片(piàn)機來實(shi)現智能(neng)超聲波(bo)測距，雖(sui)其在功(gōng)🆚能上是(shì)不能與(yu)商品的(de)，高精度(du)的智能(néng)超聲波(bō)測距🐅儀(yí)相比的(de)♍，但優🈲點(diǎn)在💋于系(xì)統規模(mó)較小，器(qì)件更換(huan)容易，成(chéng)本低，有(you)一定💃🏻靈(líng)活性。但(dan)不适宜(yí)用于測(ce)量過于(yu)或者過(guo)大的距(jù)離，容易(yi)産生誤(wu)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(lǜ) ,爲(wei)了實現(xian)輸出頻(pin)率的性(xing) ,在(zai)設計時(shi)用到了(le)單片機(jī) ,因(yin)爲頻率(lǜ)發生電(dian)路是整(zheng)個電路(lù)的核心(xin) ,有(yǒu)單片機(jī)發生的(de)頻率必(bi)須準确(que) ,否(fou)則測得(dé)的距離(lí)顯示會(hui)産生很(hen)大誤差(chà)。在考慮(lǜ)整體方(fang)案的時(shi)候，也想(xiǎng)到用一(yi)片單片(piàn)集成電(dian)路來完(wán)成頻率(lǜ)信号的(de)産生及(jí)其分類(lèi)工作，也(ye)*可以實(shi)現電路(lu)的功能(néng)，但是要(yào)想實📐現(xian)高精度(dù)要求，有(you)些困難(nan)。zui後⛱️還是(shì)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(pín)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(bu)的定時(shi)器由軟(ruǎn)件編程(chéng)所産生(sheng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，具體需(xu)要由程(chéng)序來設(shè)定。

第二個(ge)頻率就(jiù)是單片(pian)機進行(háng)數碼顯(xiǎn)示的計(ji)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(shēng)波測距(jù)精度💰是(shì)多少，而(ér)在本設(she)計中，設(shè)計精度(du)爲 lcm，也是 0.01m，超聲(sheng)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(dao)接收器(qì)，所傳播(bo)的距離(li)爲 2倍測量(liang)距離，而(ér)大家知(zhi)道，聲波(bō)在标準(zhǔn)氣壓下(xia) 15℃的(de)傳播速(su)度爲 341m／ s，因此，我(wo)們要設(she)計成在(zai)一個時(shi)鍾周期(qi)内超聲(sheng)波所傳(chuan)播🛀🏻的距(ju)離爲 0.02mm，這樣(yàng)便可以(yǐ)計算出(chu)定時器(qi)的溢出(chū)頻率是(shì) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是(shì) 17.05kHz，這(zhe)樣在一(yi)個時鍾(zhōng)周期内(nei)所測的(de)距離便(biàn)爲 0.01m。 N個(ge)周期所(suo)測的距(jù)離爲 N×； 0.01m， N個(gè)周期有(you) N個(ge)方脈沖(chòng)，也就是(shì)說，計數(shu)器測得(dé)的脈沖(chòng)數 N即爲被(bèi)測距離(lí)，不過其(qí)單位爲(wèi) 0.01m，因(yīn)此應把(bǎ)計數顯(xiǎn)示器的(de)小數點(diǎn)點在百(bǎi)位數和(he)個位數(shu)之問，那(na)麽示值(zhi)是以“米(mǐ)"爲單位(wei)，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(shè)計主要(yào)的實現(xian)功能如(ru)下：

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

技術指(zhi)标：

設計精(jīng)度爲 lcm，也就(jiu)是 0.0lm。可測量(liàng)距離由(you) 0m至(zhì) 9.99m。

4.2 系統(tǒng)結構

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

4.3 系統方(fang)案

要使整(zheng)個系統(tǒng)能夠正(zhèng)常、順利(lì)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(yi)單片機(jī) ATMEL 89C2051爲(wei)核心，通(tong)過對其(qí)進行軟(ruan)件編程(chéng)，實現該(gai)單片機(jī)對其外(wài)圍電路(lù)的适時(shi)控制，并(bìng)提供給(gěi)外圍電(diàn)路各種(zhong)🔅所需💞的(de)信号，包(bao)括頻率(lǜ)振蕩信(xin)号、數據(ju)處理信(xin)号等等(děng)，大大簡(jiǎn)化了外(wai)圍電路(lù)的設計(ji)難度，同(tóng)時更重(zhòng)要的是(shi)該種㊙️設(she)計方案(àn)大大節(jiē)省🙇🏻了設(shè)計成本(běn)，并且由(you)于是采(cǎi)用軟件(jiàn)編程技(jì)術，所以(yǐ)其移植(zhi)性能好(hǎo)，在設計(ji)電路時(shi)可以将(jiāng)其他更(geng)多的功(gōng)能設計(ji)進去，而(ér)我們在(zai)設計電(diàn)路闆時(shí)就可以(yi)根據自(zì)己的設(shè)計目的(de)焊接元(yuán)件。

在初始(shǐ)方案設(she)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(shí)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(dī)電平加(jia)到單片(piàn)機的 P3-3口，不(bú)啓動内(nei)部計數(shu)器，處于(yu)等待狀(zhuang)态。

在超聲(shēng)波接收(shōu)端設計(ji)了一個(gè)信号放(fang)大電路(lu)，采用兩(liang)級同相(xiang)🔅交🔴流放(fang)大器，通(tong)過參數(shu)設置，每(mei)一級放(fàng)大了約(yuē) 20倍(bèi)，這樣經(jing)過兩級(ji)放大後(hòu)，接收到(dào)的超聲(sheng)波信号(hao)就被放(fàng)大了幾(ji)♋乎是 400倍，完(wán)夠被後(hòu)續檢測(cè)電路檢(jiǎn)測到。接(jiē)收傳感(gan)器 L2将反射(shè)的超聲(shēng)波轉換(huàn)爲電信(xin)号後，由(yóu)放大器(qi)放大後(hou)💚再🤟送⛱️到(dao)由 U1B、 U1C等(děng)組成的(de)斯密特(te)整形電(dian)路整理(lǐ)成規範(fan)的方脈(mò)沖。電阻(zu) R11和(he)電位器(qì) R12爲(wèi)同相端(duān)提供直(zhi)流偏置(zhì)電位。需(xu)要注意(yi)的是這(zhè)兩個直(zhi)流偏置(zhì)電阻的(de)作用是(shi)相當重(zhong)要的，它(tā)可以很(hen)😍好地穩(wěn)定運放(fang)😍 A741的(de)直流工(gong)作點，不(bu)緻于使(shǐ)其同相(xiàng)輸入端(duān)出現浮(fú)動狀态(tai)，而造🔴成(chéng)輸入信(xìn)号不穩(wen)定。

由于本(běn)超聲波(bo)測距系(xì)統精度(dù)要求是(shì) lcm，故(gù)本人在(zài)進行距(ju)離顯示(shì)電路部(bu)分的設(she)計時用(yòng)到了三(san)個數💁碼(ma)管，其可(kě)以顯示(shì)範圍爲(wei) 0． Olm至 9． 99m，爲了節(jiē)省硬件(jian)開銷，本(běn)距離顯(xian)示電路(lù)沒有使(shǐ)用譯碼(ma)器，而是(shì)直接有(yǒu)效地利(lì)用了單(dān)片機的(de)有限端(duan)口來進(jin)❄️行譯碼(ma)顯示，但(dàn)㊙️是zui後由(you)于仍然(rán)缺少一(yi)個端口(kǒu)，故用到(dào)了一個(gè)二一四(si)譯碼器(qì) 74LS139。

經過(guò)老師指(zhǐ)導，對初(chū)始設計(jì)方案進(jin)行修改(gǎi)，将原超(chao)聲波發(fā)射電路(lù)改成用(yòng)芯片 LM386發射(shè)，不使用(yòng)原有的(de)門控電(diàn)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(dà)電路。由(you)于采取(qǔ)了系統(tong)優化方(fang)案，大大(da)🌂節🤞省🆚了(le)單片機(jī)的接口(kǒu)，原本因(yin)爲單片(pian)機機接(jiē)口⛱️不夠(gou)而擴展(zhǎn)的 74LS139芯片被(bei)省略，數(shu)碼管位(wèi)選直接(jie)接在單(dān)片機接(jiē)口上⛷️。這(zhe)些☁️優化(hua)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(cai)用 C語言來(lái)編程，用(yòng) C語(yǔ)言來編(biān)寫目标(biao)系統軟(ruan)件，會大(da)大縮短(duǎn)開發周(zhou)期，且明(míng)顯地增(zēng)🧡加軟件(jian)的可讀(du)性，便于(yú)改進和(he)擴充。