如何(hé)使超聲(sheng)波設計(jì)中應用(yòng)及擴充(chōng)

1 智(zhì)能超聲(sheng)波距離(li)提示器(qi)

1． 1 什麽(me)是超聲(shēng)波測距(jù)

超(chāo)聲波是(shì)指超過(guò)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(jin)十年來(lái)，由于電(diàn)子技術(shù)及壓電(diàn)陶瓷材(cái)料的發(fā)展，使超(chao)聲檢測(cè)技術得(dé)到了迅(xun)速的發(fā)展。超聲(shēng)技術♈是(shi)一門以(yi)物理、電(dian)子、機械(xiè)、及材料(liào)學爲基(ji)礎的🌐通(tōng)用技術(shu)之一。超(chao)聲技術(shù)是通過(guò)超聲波(bo)産生、傳(chuan)播及接(jie)收的物(wu)理過程(chéng)而完成(cheng)的。超聲(shēng)波具㊙️有(you)聚束、定(dìng)向及反(fan)射、透📐射(she)等特性(xing)。

超(chao)聲檢測(ce)技術是(shi)利用超(chāo)聲波在(zai)媒質中(zhong)的傳播(bō)特🔆性 (聲速(sù)、衰減、反(fan)射、聲阻(zu)抗等 )來實(shi)現對非(fēi)聲學量(liàng) (如(rú)密度、濃(nóng)度、強度(du)、彈性、硬(ying)度、粘度(dù)、溫度、流(liu)速、流量(liàng)、液位、厚(hòu)度、缺陷(xian)等 )的測定(ding)。它的基(ji)本原理(li)是基于(yú)超聲波(bo)在介質(zhi)中傳播(bō)時遇🧑🏾‍🤝‍🧑🏼到(dao)不同的(de)界面，将(jiang)産生反(fan)射，折射(she)，繞射，衰(shuāi)減等現(xian)象，從而(ér)使傳播(bō)的聲時(shi)，振幅，波(bo)形，頻率(lǜ)等發生(sheng)相應變(biàn)🌈化，測定(ding)這些規(gui)律的變(biàn)化，便可(ke)得到材(cai)料的某(mou)些性質(zhì)與内部(bu)構造情(qing)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(tè)點：在不(bu)破壞媒(mei)質特性(xing)的情況(kuàng)下實現(xian)非接觸(chù)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(bo)發生器(qì)的種類(lèi)

爲(wei)了研究(jiū)和利用(yong)超聲波(bo)，人們已(yi)經設計(ji)和制成(cheng)了許多(duō)❌超聲波(bō)發生器(qì)。總體上(shang)講，超聲(sheng)波發生(sheng)器可以(yi)🈲分爲兩(liang)大類：一(yi)類是用(yòng)電⛹🏻‍♀️器方(fang)式産生(shēng)超聲波(bo)，一類是(shi)用機械(xie)方式産(chan)生超聲(sheng)波，電器(qi)方式包(bāo)括壓電(dian)型😄，磁緻(zhi)伸縮型(xíng)和電動(dòng)型等；機(jī)械方式(shì)有加✔️爾(ěr)統笛，液(yè)🌂哨和氣(qì)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(bō)特性各(gè)不相同(tóng)，因而用(yòng)途也各(gè)不相同(tong)。目前較(jiào)爲常用(yòng)的是壓(yā)電式超(chao)聲波發(fā)生器。雅(ya)典市超(chao)聲㊙️波發(fā)生器實(shi)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(dian)晶片和(hé)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(yú)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(gòng)振，并帶(dài)動共振(zhèn)闆振動(dòng)，便産生(sheng)超聲波(bō)✂️。反之，如(rú)果兩電(diàn)極間外(wai)未加電(dian)壓，當共(gong)振闆接(jiē)受到超(chāo)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(zhe)時它就(jiù)成🌈爲超(chāo)聲波接(jie)❗受器了(le)。

2 研(yan)究的意(yì)義

2.1 超聲波(bō)用于距(jù)離測量(liang)的優勢(shì)

由(yóu)于超聲(shēng)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(shuai)減少，能(néng)量消耗(hào)緩慢，在(zai)📐介質中(zhōng)傳播的(de)距離較(jiao)遠，遇到(dào)雜質或(huò)分界面(miàn)時會産(chan)生反射(shè)波，因而(ér)超聲波(bō)經常用(yòng)于距離(li)的測量(liang)。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(zhao)這🥰兩個(gè)特點展(zhan)開的。

超聲(shēng)波與一(yi)般聲波(bō)比較，它(ta)的振動(dong)頻率高(gao)，而且波(bō)長短☁️，因(yin)而具有(you)束射特(tè)性，方向(xiang)性強，可(kě)以定向(xiang)傳播💘，其(qí)能量遠(yuan)遠大于(yú)振幅相(xiang)🌈同的一(yī)般聲波(bō)，并且具(jù)有很高(gao)的穿透(tou)能力。

2.2 研究(jiū)的意義(yi)

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(yǔ)商品的(de)，高精度(dù)的智能(neng)超聲波(bō)測距儀(yi)相比的(de)，但優點(dian)在🧡于系(xi)統規模(mo)較小，器(qì)件更換(huan)容易，成(cheng)本低，有(yǒu)一定靈(ling)活性。但(dan)不适宜(yí)用于測(cè)量過于(yu)或者過(guo)大的距(jù)離，容易(yì)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(yong)到了兩(liang)個重要(yao)的頻率(lü) ,爲(wèi)了實現(xian)輸出頻(pín)率的性(xing) ,在(zai)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(zheng)個電路(lù)的核心(xin) ,有(yǒu)單片機(ji)發生的(de)頻率必(bi)須準确(que) ,否(fou)則測得(de)的距離(lí)顯示會(huì)産生很(hen)大誤差(cha)。在考慮(lü)整體💃🏻方(fang)案的時(shí)候，也想(xiang)到用一(yī)片單片(pian)集成電(dian)路來完(wán)🈲成頻率(lü)信号的(de)産生及(ji)其分類(lei)工作，也(ye)*可以實(shí)現電路(lù)的功🔅能(néng)，但是🧡要(yào)想實🍓現(xian)高精度(dù)要求，有(yǒu)些困難(nán)。zui後還是(shi)選擇用(yòng)單片機(ji)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(pin)率，信号(hao)本來就(jiù)是 40kHz，并由單(dān)片機的(de) P3． 0口輸(shū)出。這是(shì)由單片(piàn)機内部(bu)的定時(shí)器由軟(ruan)件編程(cheng)所産生(shēng)，具體需(xu)要由程(cheng)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(jì)數頻率(lü)，在計算(suan)之前首(shou)先要明(míng)确我們(men)要設計(ji)的超聲(shēng)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(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(bō)的距離(li)爲 2倍測量(liang)距離，而(ér)大家知(zhi)道，聲波(bo)在标準(zhun)氣壓下(xià) 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(qī)内超聲(shēng)波所傳(chuán)播的距(jù)🤞離📐爲 0.02mm，這樣(yang)便可以(yi)計算出(chu)定時器(qì)的溢出(chu)頻率是(shì) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是(shi) 17.05kHz，這(zhe)樣在一(yi)個時鍾(zhong)周期内(nei)所測的(de)距離便(biàn)爲 0.01m。 N個(gè)周期所(suo)測的距(ju)離爲 N×； 0.01m， N個(gè)周期有(you) N個(gè)方脈沖(chong)，也就是(shi)說，計數(shu)器測得(de)的脈沖(chòng)數 N即爲被(bèi)測距離(li)，不過其(qi)單位爲(wei) 0.01m，因(yīn)此應把(ba)計數顯(xiǎn)示器的(de)小數點(diǎn)點在百(bai)位數和(hé)個🌍位數(shu)之🌈問，那(na)✉️麽示值(zhi)是以“米(mi)"爲單位(wei)，其zui大顯(xian)示值爲(wei) 9.99m。

4 設計(jì)方案

4.1 實現(xian)功能

本設(she)計主要(yào)的實現(xiàn)功能如(ru)下：

由單片(pian)機産生(sheng)頻率爲(wèi) 40kHz的(de)方波脈(mò)沖信号(hào)，超聲波(bō)發射端(duān)發出信(xìn)号，遇到(dào)障礙物(wu)返回，被(bei)🔱接收端(duan)接收到(dào)。由單片(piàn)機計算(suàn)出探頭(tou)與障礙(ai)物🌈之間(jian)的距離(li)，這就是(shì)被測距(jù)離。

技術指(zhǐ)标：

設計精(jīng)度爲 lcm，也就(jiu)是 0.0lm。可測量(liang)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(shù)碼管顯(xiǎn)示 )，集成運(yun)放 (CX20106)，集成放(fàng)大器 (LM386)，超聲(sheng)波發射(she)，接收探(tàn)頭。

4.3 系統方(fāng)案

要使整(zhěng)個系統(tǒng)能夠正(zheng)常、順利(lì)的工作(zuo)，就得有(yǒu)一個好(hǎo)的硬件(jiàn)和軟件(jiàn)。

本(ben)方案以(yǐ)單片機(jī) ATMEL 89C2051爲(wèi)核心，通(tong)過對其(qí)進行軟(ruan)件編程(chéng)，實現該(gāi)單片機(jī)對其🐉外(wai)圍電路(lu)的适時(shi)控制，并(bìng)提供給(gěi)外圍電(diàn)路各種(zhǒng)所需的(de)信号，包(bāo)括頻率(lǜ)振蕩信(xìn)号、數據(jù)處理信(xin)号等🛀等(děng)，大大簡(jiǎn)化了外(wai)圍電路(lu)的設計(ji)難度，同(tóng)時更重(zhong)要的是(shi)該種設(she)計方案(an)大大節(jie)省了設(shè)計成本(běn)，并且由(yóu)于是采(cǎi)用軟件(jian)編程技(ji)術，所以(yi)其移植(zhi)性能好(hǎo)，在設🌏計(jì)電路時(shí)可以将(jiāng)其他更(gèng)多的功(gong)能設計(ji)進去，而(ér)我們在(zài)設計電(dian)路闆時(shi)就可以(yǐ)根據自(zi)己的設(shè)計目的(de)焊接元(yuán)件。

在初始(shǐ)方案設(shè)計時，我(wo)打算在(zai)超聲波(bō)發射端(duan)使用 RS觸發(fa)器 CD4013作爲門(men)控電路(lù)，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(jiā)到單片(piàn)機的 P3-3口，不(bu)啓動内(nei)部計數(shù)器，處于(yu)等待狀(zhuàng)态。

在超聲(sheng)波接收(shou)端設計(jì)了一個(ge)信号放(fang)大電路(lù)，采用兩(liǎng)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(yue) 20倍(bèi)，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(fàng)🛀🏻大了幾(jǐ)乎是 400倍，完(wán)夠被後(hou)續檢測(ce)電路檢(jian)測到。接(jiē)收傳感(gǎn)器 L2将反射(shè)的超聲(sheng)波轉換(huan)爲電信(xin)号後，由(you)放大器(qì)放大後(hou)再送🔞到(dao)由 U1B、 U1C等(děng)組成的(de)斯密特(tè)整形電(dian)路整理(lǐ)成規範(fàn)的方脈(mò)沖。電🧑🏾‍🤝‍🧑🏼阻(zǔ) R11和(he)電位器(qi) R12爲(wei)同相端(duān)提供直(zhi)流偏置(zhì)電位。需(xū)要注意(yì)的是這(zhe)兩個直(zhí)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(wen)定運放(fang) A741的(de)直流工(gong)作點，不(bu)緻于使(shǐ)其同相(xiang)輸入端(duān)出現浮(fu)動狀🚶‍♀️态(tài)，而💰造成(cheng)輸入信(xìn)号不穩(wen)定。

由于本(ben)超聲波(bo)測距系(xi)統精度(dù)要求是(shì) lcm，故(gù)本人在(zai)進行距(ju)離顯示(shì)電路部(bu)分的設(she)計時用(yong)到☎️了三(sān)個數碼(mǎ)管，其可(ke)以顯示(shi)範圍爲(wei) 0． Olm至 9． 99m，爲了節(jie)省硬件(jiàn)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(dan)片機的(de)有限端(duān)口來進(jìn)行譯碼(mǎ)顯🌈示，但(dàn)是zui後👨‍❤️‍👨由(yóu)于仍然(rán)缺少一(yī)個端口(kou)，故用到(dao)♉了一個(ge)二一四(si)譯碼器(qì) 74LS139。

經過(guò)老師指(zhi)導，對初(chu)始設計(ji)方案進(jìn)行修改(gǎi)，将原超(chāo)聲波📞發(fā)射電路(lu)改成用(yòng)芯片 LM386發射(she)，不使用(yòng)原有的(de)門控電(dian)路。原超(chāo)聲波接(jiē)收電路(lu)改🧑🏽‍🤝‍🧑🏻成用(yòng)集成 CX20106，省掉(diào)了之前(qian)的放大(da)電路。由(you)于采取(qǔ)了系統(tǒng)優化方(fang)案，大大(dà)😄節省了(le)單片機(ji)的接口(kou)，原本因(yīn)爲單片(pian)機機接(jiē)口不夠(gòu)而擴展(zhan)的 74LS139芯片被(bèi)省略，數(shù)碼管位(wèi)選直接(jie)接在單(dān)片機接(jiē)口上。這(zhe)些優🔅化(huà)💁大大簡(jiǎn)化了設(she)計的複(fu)雜度和(hé)焊接時(shi)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(yu)言來編(bian)寫目标(biāo)系統軟(ruǎn)件，會大(da)大縮短(duǎn)開發周(zhou)期💰，且明(míng)📞顯地增(zēng)加軟件(jiàn)的可讀(du)性，便于(yu)改進和(he)擴充。