如何使超聲波設(she)計中應用及擴充(chong)

1 智能超聲波(bō)距離提示器

1． 1 什麽是超聲(sheng)波測距

超聲(shēng)波是指超過人的(de)聽覺範圍以上 (16KHZ)的聲波。近二、三(san)十年 ,特别是(shì)近十年來，由于電(diàn)子技術及壓電陶(táo)瓷材料的發展，使(shi)超聲檢測技術得(dé)到了迅速的發展(zhǎn)。超聲技術是一門(men)以🏃物理、電子、機械(xie)、及材料學爲基礎(chǔ)的通用技術之一(yi)。超聲技🐕術是通過(guò)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(xiàng)及反射、透射等特(te)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(kang)等 )來實現對(dui)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(yuán)理是基于超聲波(bō)在介質中傳播❓時(shi)遇到🧑🏾‍🤝‍🧑🏼不同的界面(miàn)，将産生反射，折射(she)，繞射，衰減等現象(xiàng)，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(yǔ)内部構造情況。與(yǔ)♍傳統超聲技術*不(bú)同‼️，新的超聲技術(shu)具有以下特點：在(zài)不破壞媒質特性(xìng)的情況下實現非(fei)接觸性測量，環境(jìng)适應能力強，可實(shi)現在線測量。

1． 2 超聲波發生(shēng)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(duo)超聲波發生器。總(zǒng)體上講，超聲波發(fā)生器可以分爲兩(liang)大類：一類是用電(diàn)♋器方式産生超聲(sheng)波，一類是用機械(xie)方式産生超聲波(bo)，電器方式✌️包括壓(ya)電型，磁緻伸縮型(xing)和電動型等；機械(xiè)👌方式有加爾統笛(di)，液哨和氣流旋笛(dí)等。它們所産生的(de)超聲波的頻率，功(gōng)率和聲波特性各(gè)不相同，因而用途(tú)也各不相同。目前(qian)較爲常用的是🐪壓(ya)電式超聲波發生(sheng)器。雅典市超聲波(bō)發生器實際上🔞是(shì)利用壓電晶體❗的(de)諧振來工作的。

它有兩個壓電(diàn)晶片和一個共振(zhèn)闆。當它的兩極外(wài)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(hui)發生共振，并帶動(dòng)共振闆振動，便産(chan)生❄️超聲波。反之，如(rú)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(lí)測量的優勢

由于超聲波頻率(lǜ)較高，沿直線傳播(bō)，繞射小，穿透力強(qiáng)，指向性強，傳輸過(guò)程中衰減少，能量(liàng)消耗緩慢，在介質(zhì)中傳🔞播的距離較(jiào)遠，遇到雜質或分(fèn)界面時會産生反(fan)射波，因💜而超聲波(bo)經常✉️用于距離的(de)測量。超聲波有兩(liang)個特點，一個是能(néng)量大，一個是📱沿直(zhí)線傳✨播，它的應用(yong)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(dòng)頻率高，而且波長(zhǎng)短，因🔞而具💞有束射(she)特性，方向性強，可(kě)以定向傳播，其能(néng)量遠遠大❤️于振幅(fu)相✍️同的一般聲波(bo)，并且具有很高的(de)穿透能力。

2.2 研(yán)究的意義

本(běn)設計采用單片機(jī)來實現智能超聲(shēng)波測距，雖其在⛱️功(gong)能上🚩是不能與商(shāng)品的，高精度的智(zhì)能超聲波測距儀(yi)相比的，但優點在(zai)于系統規模較小(xiǎo)，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(guò)大的距離，容易産(chǎn)生誤差。

3 研究(jiū)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(lǜ) ,爲了實現輸(shū)出頻率的性 ,在設計時用到了(le)單片機 ,因爲(wei)頻率發生電路是(shi)整個電路的核心(xīn) ,有單片機發(fa)生的頻率必須準(zhun)确 ,否則測得(de)的距離顯示會産(chan)生很大誤差。在考(kao)慮整體方案的時(shí)候，也想到用一片(pian)單片集成電路來(lái)完成頻率信号的(de)産生及其分類工(gong)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(hái)是選擇用單片機(ji)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(ben)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(dìng)時器由軟件編程(cheng)♌所産生，具體需要(yao)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(pin)👉率㊙️，在計📞算之前首(shǒu)先要明确我們要(yao)設計的超聲波測(cè)距精度是多🔞少，而(ér)在本㊙️設計中，設計(jì)精度爲 lcm，也是(shi) 0.01m，超聲波發射(she)器的聲波傳播到(dào)反射物，再由反射(she)物🤟反🍓射到接收器(qi)，所傳播的距離爲(wèi) 2倍測量距離(li)，而大家知道，聲波(bō)在标準氣壓下 15℃的傳播速度爲(wèi) 341m／ s，因此，我(wǒ)們要設計成在一(yi)個時鍾周期内超(chāo)聲波所傳👨‍❤️‍👨播的距(ju)☂️離爲 0.02mm，這樣便(bian)可以計算出定時(shí)器的溢出頻率是(shi) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也(yě)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(mò)沖，也就是說，計數(shù)器測得的脈沖數(shù) N即爲被測距(jù)離，不過其單位爲(wèi) 0.01m，因此應把計(ji)數顯示器的小數(shu)點點在百位數和(hé)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(néng)

本設計主要(yào)的實現功能如下(xià)：

由單片機産(chan)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(wù)返💚回，被接收端接(jie)收到。由單片機計(ji)算出探頭與障礙(ai)物之間🏃‍♂️的距離，這(zhè)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(ji)本組成包括：單片(piàn)機 (89C2051)， LCD(數碼(mǎ)管顯示 )，集成(cheng)運放 (CX20106)，集成放(fang)大器 (LM386)，超聲波(bo)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(jian)編程，實現該單片(pian)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(wài)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(ji)成本，并且由💛于是(shi)采用軟件編程技(ji)術，所以其移植性(xing)能好，在設計電路(lu)時可以将其他更(gèng)多的🌈功能設計進(jin)去，而我們在設計(ji)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(shè)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(wei)，即 Q=0； S=l(R=0)時置(zhì)位，當上電複位時(shi)， D觸發器 CD4013的 Q腳輸出低(di)電平加到單片機(jī)的 P3-3口，不啓動(dong)内部計數器，處于(yu)等待狀态。

在(zài)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(qi)，通過參數設置，每(měi)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(jiù)被放大了🈲幾乎是(shi) 400倍，完夠被後(hòu)續檢測電路檢測(cè)到。接收傳感器 L2将反射的超聲(shēng)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(zheng)理成規範的方脈(mò)沖🌈。電阻 R11和電(dian)位器 R12爲同相(xiang)端提供直流偏置(zhi)電位。需要注意的(de)是這兩個直流偏(pian)置電阻的作用是(shi)相當重要的，它可(kě)以很好地🌐穩定運(yùn)放 A741的直流工(gōng)作點，不緻于使其(qi)同相輸入端出現(xian)浮動狀态，而造✨成(cheng)輸入信号不穩定(dìng)。

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(xiǎn)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(wèi)了節省硬件開銷(xiao)，本距離顯示電路(lù)沒有使用譯碼器(qì)，而是直接有效地(dì)利用了單片機的(de)有限端口來進☔行(hang)譯碼顯🧑🏾‍🤝‍🧑🏼示，但是zui後(hou)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(guò)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(shi)用原有的門控電(diàn)路。原超聲波接收(shou)電路改成用🌍集成(cheng) CX20106，省掉了之前(qian)的放大電路。由于(yú)采取了系統優化(hua)方案🌍，大大❤️節省了(le)單片機的接口，原(yuan)本因爲單片機機(jī)接口不夠而擴展(zhan)的 74LS139芯片被省(sheng)略，數碼管位選直(zhi)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(shí)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(xie)目标系統軟件，會(hui)大大縮短開發周(zhōu)期，且明顯地增加(jiā)軟件的可讀性，便(bian)于改進和擴充。