如何使超聲波設(shè)計中應用及擴充(chōng)

1 智能超聲波(bō)距離提示器

1． 1 什麽是超聲(shēng)波測距

超聲(sheng)波是指超過人的(de)聽覺範圍以上 (16KHZ)的聲波。近二、三(sān)十年 ,特别是(shì)近十年來，由于電(dian)子技術及壓電陶(tao)瓷材料的發🌈展，使(shi)超聲檢測技術得(de)到了迅速的發展(zhan)。超聲技術是一☎️門(men)以物理、電子、機械(xie)、及材料學爲基礎(chu)的🐕通用技術之一(yi)。超聲技術是通過(guo)超聲波産生、傳播(bō)及接收的🐕物理過(guò)程而完成的。超聲(sheng)波具有聚束、定向(xiang)及反射、透射等特(tè)性。

超聲檢測(cè)技術是利用超聲(sheng)波在媒質中的傳(chuan)播特性 (聲速(sù)、衰減、反射、聲阻抗(kàng)等 )來實現對(duì)非聲學量 (如(rú)密度、濃度、強度、彈(dàn)性、硬度、粘度、溫度(dù)、流速、流量、液位、厚(hòu)度❗、缺陷等 )的(de)測定。它的基本原(yuan)理是基于超聲波(bō)在介質中傳播時(shi)遇到不同的界面(mian)，将産生反射，折射(she)，繞射，衰減等現象(xiang)，從💁而使🏃🏻傳播🈲的聲(sheng)時，振幅，波形，頻率(lü)等發生相應變化(huà)，測定這些規律的(de)變化，便可得到材(cái)料的某些性質與(yu)内部構造情況。與(yǔ)傳統超聲技術*不(bu)同🔞，新的超聲技術(shu)具有以下特點：在(zai)不破♊壞媒質特性(xìng)的情況下實♉現非(fēi)接觸性測量，環境(jìng)适應能力💰強，可🌍實(shí)現在線測量。

1． 2 超聲波發生(sheng)器的種類

爲(wèi)了研究和利用超(chāo)聲波，人們已經設(shè)計和制成了許🈲多(duō)超聲波發生器。總(zong)體上講，超聲波發(fā)生器可以分爲兩(liǎng)大🥰類：一類是用電(dian)🧡器方式産生超聲(sheng)波，一類🔴是用機械(xiè)方式産生超🥰聲波(bō)，電器方式包括壓(yā)電型，磁緻伸縮🥵型(xíng)和電動型等；機械(xiè)方式有加爾統笛(dí)，液🆚哨和氣流旋笛(di)等。它們所産生的(de)超聲波的頻率，功(gong)⭐率和聲波特📱性各(ge)不相同，因而📧用途(tu)也各不相同。目前(qián)較爲常用的是壓(yā)電式🐇超聲波發👨‍❤️‍👨生(sheng)器。雅典市超聲波(bo)發生器實際上是(shi)利用壓電晶體的(de)諧振來工作的。

它有兩個壓電(dian)晶片和一個共振(zhen)闆。當它的兩極外(wai)🙇‍♀️加脈沖信号，其頻(pin)率等于壓電晶片(piàn)的固有震蕩頻率(lǜ)時㊙️，壓電晶片将會(huì)發生🤟共振，并帶動(dòng)共振闆振動，便産(chan)生超聲波。反之，如(ru)果兩電極間外未(wei)加電壓，當共振闆(pan)接受到超聲波時(shi)，将壓迫壓電晶片(piàn)做震動，将機械能(néng)轉換爲點信号🔱，這(zhè)時它就成爲超聲(sheng)波接受器了。

2 研究的意義

2.1 超聲波用于距離(li)測量的優勢

由于超聲波頻率(lü)較高，沿直線傳播(bō)，繞射小，穿透力強(qiang)，指向性🔴強，傳輸過(guo)程中衰減少，能量(liang)消耗緩慢，在介質(zhì)👈中傳播的距離🈲較(jiào)遠，遇到雜質或分(fen)界面時會💃🏻産生反(fǎn)射波，因而超聲波(bo)經常用于距離的(de)測量。超聲波有兩(liǎng)⭐個特點，一個是能(neng)量大，一個是沿直(zhi)線傳播，它的應用(yòng)就是按照這兩個(gè)特點展開的。

超聲波與一般聲(sheng)波比較，它的振動(dong)頻率高，而且波✊長(zhang)短，因而具🌈有束射(shè)特性，方向性強，可(kě)以定向傳播，其能(neng)量遠遠大于振幅(fú)相同的一般聲波(bō)，并且具有很高的(de)☀️穿透能力。

2.2 研(yan)究的意義

本(běn)設計采用單片機(jī)來實現智能超聲(sheng)波測距，雖其在功(gong)❓能上是不能與商(shang)品的，高精度的智(zhi)能超聲波測距❌儀(yi)相比的，但優點在(zài)于系統規模較小(xiao)，器件更換容易，成(chéng)本低，有一定♋靈活(huo)性🏃🏻‍♂️。但不适宜用于(yú)測量過于或者過(guo)大的距離，容易産(chǎn)生誤差。

3 研究(jiu)的關鍵技術

3.1 頻率發生

本(běn)設計中共用到了(le)兩個重要的頻率(lü) ,爲了實現輸(shu)出頻率的性 ,在設計時用到了(le)單片機 ,因爲(wèi)頻率發生電路是(shi)整個電路的核心(xin) ,有單片機發(fā)生的頻率必須準(zhǔn)确 ,否則測得(dé)的距離顯示會産(chan)生很大誤差。在考(kao)慮整體方案💰的🆚時(shi)候，也想到用一片(piàn)單片集成電路來(lai)完成頻🐪率信号的(de)産生及其分類工(gōng)作，也*可以實現電(diàn)路的功⭐能，但是要(yào)想實🤞現高精🈲度要(yào)求，有些困難。zui後還(hai)是選擇用單片機(jī)來完成頻率的産(chǎn)生工作。

*個頻(pín)率，超聲波的發射(shè)中心頻率，信号本(běn)來就是 40kHz，并由(yóu)單片機的 P3． 0口輸出。這是由(you)單片機内部的定(ding)時器由軟件編程(cheng)✂️所産生，具🔞體需要(yào)由程序來設定。

第二個頻率就(jiù)是單片機進行數(shu)碼顯示的計數頻(pín)率，在計❓算之前首(shǒu)先要明确我們要(yào)設計的超聲波🔞測(ce)距精度是多💔少，而(ér)在本設計中，設計(ji)精度爲 lcm，也是(shi) 0.01m，超聲波發射(shè)器的聲波傳播到(dào)反射物，再由反射(shè)物反射到☎️接收器(qì)，所傳播的距離爲(wei) 2倍測量距離(lí)，而大家知道，聲波(bo)在标準氣壓下 15℃的傳播速度爲(wei) 341m／ s，因此，我(wo)們要設計成在一(yī)個時鍾周期内超(chāo)聲波所傳播的👉距(jù)❗離爲 0.02mm，這樣便(bian)可以計算出定時(shi)器的溢出頻率是(shi) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也(ye)就是 17.05kHz，這樣在(zài)一個時鍾周期内(nei)所測的距離便爲(wèi) 0.01m。 N個周期(qi)所測的距離爲 N×； 0.01m， N個周(zhōu)期有 N個方脈(mo)沖，也就是說，計數(shu)器測得的脈沖數(shu) N即爲被測距(ju)離，不過其單位爲(wei) 0.01m，因此應把計(ji)數顯示器的小數(shu)點點在百位數和(he)個位數之✨問，那麽(me)示值是以“米"爲單(dan)位，其zui大顯示值爲(wei) 9.99m。

4 設計方(fāng)案

4.1 實現功能(neng)

本設計主要(yào)的實現功能如下(xia)：

由單片機産(chǎn)生頻率爲 40kHz的(de)方波脈沖信号，超(chao)聲波發射端發出(chū)信号，遇到障礙物(wu)返回，被☂️接收端接(jiē)收到。由單片機計(jì)算出探頭與障礙(ai)物😘之間🏃的距🤞離，這(zhe)就是被測距離。

技術指标：

設計精度爲 lcm，也就是 0.0lm。可測(cè)量距離由 0m至(zhi) 9.99m。

4.2 系統結(jié)構

系統的基(jī)本組成包括：單片(pian)機 (89C2051)， LCD(數碼(mǎ)管顯示 )，集成(chéng)運放 (CX20106)，集成放(fàng)大器 (LM386)，超聲波(bō)發射，接收探頭。

4.3 系統方案

要使整個系統能(néng)夠正常、順利的工(gong)作，就得有一個☁️好(hǎo)的硬件和軟件。

本方案以單片(pian)機 ATMEL 89C2051爲核心，通(tong)過對其進行軟件(jiàn)編程，實現該單片(piàn)機對其外圍電路(lù)的适時控制，并提(tí)供給外圍電路各(gè)種所需的信🙇🏻号，包(bāo)括頻🔞率振蕩信号(hào)、數據處理信号等(děng)等，大大簡化了外(wai)圍電路的設計難(nan)度，同時更重要🔞的(de)是該種設計方案(àn)大大節省了設計(jì)成本，并且由🌈于是(shi)采用軟🛀🏻件編程技(ji)術🚶‍♀️，所以其移植🌈性(xìng)能好，在設計電路(lù)時可🈚以将其他更(geng)多的功能設計進(jin)去，而我們在設計(jì)電路闆時就可以(yi)根據自🐕己的設計(jì)目的焊🏒接元件。

在初始方案設(she)計時，我打算在超(chao)聲波發射端使用(yong) RS觸發器 CD4013作爲門控電路，當(dang) R=1； (S=0)時複位(wèi)，即 Q=0； S=l(R=0)時置(zhi)位，當上電複位時(shí)， D觸發器 CD4013的 Q腳輸出低(dī)電平加到單片機(ji)的 P3-3口，不啓動(dong)内部計數器，處于(yu)等待狀态。

在(zai)超聲波接收端設(she)計了一個信号放(fang)大電路，采用兩💞級(jí)同相交流放大器(qì)，通過參數設置，每(mei)一級放大了約 20倍，這樣經過兩(liang)級放大後，接收到(dao)的超聲波信号就(jiu)被💋放🌏大🐕了幾乎是(shi) 400倍，完夠被後(hou)續檢測電路檢測(cè)到。接收傳感器 L2将反射的超聲(sheng)波轉換爲電信号(hào)後，由放大器放大(dà)後🤟再送到由 U1B、 U1C等組成的斯(sī)密特整形電路整(zhěng)理成規範的方脈(mò)沖。電阻🈲 R11和電(dian)位器 R12爲同相(xiàng)端提供直流偏置(zhì)電位。需要注意的(de)是這兩個直流㊙️偏(pian)置電阻的作用是(shì)相當重要的，它可(ke)以很好地穩定運(yun)放 A741的直流工(gōng)作點，不緻于使其(qi)同相輸入端出現(xiàn)浮動🌂狀态，而造成(chéng)🈲輸入信号不穩定(ding)。

由于本超聲(sheng)波測距系統精度(dù)要求是 lcm，故本(běn)人在進行距離顯(xian)示電路部分的設(she)計時用到了三個(ge)數碼管，其可以顯(xian)示範圍爲 0． Olm至 9． 99m，爲(wei)了節省硬件開銷(xiāo)，本距離顯示電路(lu)沒有使用譯碼器(qì)，而是☁️直接有效地(di)利用了單片機的(de)有限端口來進行(háng)譯碼顯示，但是zui後(hòu)由于仍然缺少一(yī)個端口，故用到了(le)一個二一四譯碼(ma)器 74LS139。

經過(guo)老師指導，對初始(shi)設計方案進行修(xiu)改，将原超聲🌈波🛀🏻發(fā)射電路改成用芯(xin)片 LM386發射，不使(shǐ)用原有的門控電(dian)路。原超聲波接收(shou)電路改成用集㊙️成(chéng) CX20106，省掉了之前(qian)的放大電路。由于(yú)采取了系統優化(huà)方案，大大節省了(le)單片機的接口，原(yuan)本因爲單片機機(ji)💘接口不夠而擴展(zhan)的 74LS139芯片被省(shěng)略，數碼管位選直(zhí)接接在單片機接(jie)口上。這些優化大(dà)大簡化了設計的(de)複雜度和焊接時(shi)的困難度。

在(zài)軟件方面采用 C語言來編程，用(yòng) C語言來編寫(xiě)目标系統軟件，會(hui)大大縮短開發周(zhōu)期，且☁️明顯地增加(jia)軟件的可讀性，便(bian)于改進和擴充。