如何(he)使超聲(sheng)波設計(ji)中應用(yòng)及擴充(chong)

1 智(zhi)能超聲(shēng)波距離(li)提示器(qi)

1． 1 什麽(me)是超聲(shēng)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(sheng)波。近二(èr)、三十年(nian) ,特(te)别是近(jìn)十年來(lái)，由于電(dian)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(de)到了迅(xun)速的發(fā)展。超聲(shēng)技術是(shi)一門以(yǐ)物理🈲、電(dian)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(chuán)播及接(jiē)收的物(wu)理過程(cheng)而完成(chéng)的。超聲(shēng)波具有(yǒu)聚束、定(ding)♍向及反(fǎn)射、透射(shè)等特性(xìng)。

超(chao)聲檢測(ce)技術是(shi)利用超(chao)聲波在(zài)媒質中(zhong)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(fēi)聲學量(liàng) (如(ru)密度、濃(nong)度、強度(dù)、彈性、硬(ying)度、粘度(du)、溫度、流(liú)速、流量(liang)、液位、厚(hou)度、缺陷(xiàn)等 )的測定(dìng)。它的基(jī)本原理(li)是基于(yu)超聲波(bo)在介質(zhi)中傳播(bo)時遇到(dao)不同的(de)界面，将(jiāng)産生反(fǎn)射，折射(shè)，繞射，衰(shuāi)減🌈等現(xian)象，從🤞而(er)使傳播(bo)的聲💋時(shi)，振幅，波(bo)形，頻率(lü)等發生(shēng)😍相應變(biàn)化，測定(dìng)這些規(gui)律的變(biàn)化，便可(ke)得到材(cái)料的某(mou)些性質(zhì)與内部(bù)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(yǒu)以下特(te)點：在不(bu)破壞媒(mei)質特性(xìng)⛹🏻‍♀️的情況(kuàng)下實⛷️現(xian)🌈非接觸(chu)性測量(liàng)♈，環境适(shì)應能力(li)強，可實(shi)現在線(xiàn)測量。

1． 2 超聲波(bō)發生器(qì)的種類(lèi)

爲(wèi)了研究(jiu)和利用(yòng)超聲波(bō)，人們已(yǐ)經設計(jì)和制成(cheng)了許多(duō)超聲波(bo)發生器(qì)。總體上(shang)講，超聲(sheng)波發生(shēng)器可以(yǐ)分爲兩(liǎng)大類：一(yī)💋類是用(yòng)電器方(fang)式産生(sheng)超聲波(bo)，一類是(shi)用機械(xiè)方式⭕産(chan)生超聲(sheng)波，電器(qì)方式包(bao)括壓電(diàn)型，磁緻(zhi)伸縮🧑🏾‍🤝‍🧑🏼型(xíng)和電動(dong)型等；機(ji)械方式(shì)有加爾(er)統笛，液(ye)哨和氣(qi)流旋♈笛(dí)等。它們(men)所産生(shēng)的超聲(shēng)波的頻(pín)率，功☁️率(lü)和聲波(bo)特🌈性各(gè)不相同(tóng)，因而用(yong)途也各(gè)不相同(tong)。目前較(jiào)爲常用(yòng)的是壓(yā)電式🌐超(chāo)聲波發(fā)生器。雅(ya)典市超(chāo)聲❤️波發(fa)生器實(shí)際上🌐是(shi)利用壓(yā)電晶體(tǐ)的諧振(zhèn)來工作(zuo)的。

它有兩(liang)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(xin)号，其頻(pin)率等于(yú)壓電晶(jing)片的固(gù)有震蕩(dang)頻💁率時(shí)，壓電💜晶(jing)片♍将會(huì)發生共(gong)振，并帶(dài)動共振(zhèn)闆振動(dòng)，便産生(sheng)超聲波(bo)💃🏻。反之，如(ru)果兩電(diàn)極間外(wài)未加電(dian)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(jī)械能轉(zhuan)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(yan)究的意(yì)義

2.1 超聲波(bō)用于距(ju)離測量(liang)的優勢(shì)

由(yóu)于超聲(shēng)波頻率(lǜ)較高，沿(yan)直線傳(chuán)播，繞射(shè)小，穿透(tòu)力🙇‍♀️強，指(zhǐ)向性強(qiang)，傳輸過(guo)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(huo)分界面(miàn)時會産(chan)生反射(she)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(ge)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(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(gāo)，而且波(bō)長短，因(yin)而具有(you)束射特(tè)性，方向(xiang)性強，可(ke)以定向(xiàng)傳播，其(qi)能♍量遠(yuan)🌈遠大于(yú)振幅相(xiang)同的一(yi)般聲波(bo)，并且具(ju)有很高(gao)的❗穿透(tou)能👣力。

2.2 研究(jiū)的意義(yì)

本(běn)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(shì)不能與(yǔ)商品的(de)，高精度(du)的智能(neng)超聲波(bō)測距儀(yí)相比的(de)，但優點(dian)在于系(xì)統規模(mó)較小，器(qi)件更換(huan)容易，成(cheng)本低✨，有(yǒu)一定靈(ling)活性。但(dan)不适宜(yi)用于測(ce)量🐪過于(yu)或者過(guò)大的距(ju)離，容易(yì)産生誤(wu)差。

3 研究的(de)關鍵技(ji)術

3.1 頻率發(fā)生

本設計(jì)中共用(yong)到了兩(liǎng)個重要(yào)的頻率(lǜ) ,爲(wèi)了實現(xian)輸出頻(pin)率的性(xìng) ,在(zai)設計時(shí)用到了(le)單片機(ji) ,因(yin)爲頻率(lǜ)發生電(diàn)路是整(zheng)個電路(lu)的核心(xīn) ,有(yǒu)單片機(ji)發生的(de)頻率必(bi)須準确(què) ,否(fǒu)則測得(dé)的距離(li)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(xiang)到用一(yī)片單片(pian)集成電(diàn)路來完(wan)成頻率(lü)信号的(de)産生及(ji)其分類(lèi)工作，也(yě)*可以實(shi)現電路(lu)的功能(néng)，但是要(yào)想實現(xiàn)高精度(dù)要求👄，有(you)些困難(nán)。zui後還是(shì)選擇用(yòng)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(she)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(shū)出。這是(shì)由單片(piàn)機内部(bù)的定時(shí)器由軟(ruǎn)件編程(chéng)所✉️産生(shēng)，具👄體💃需(xū)要由程(cheng)序來設(shè)定。

第二個(ge)頻率就(jiù)是單片(pian)機進行(hang)數碼顯(xiǎn)示的計(ji)數頻率(lǜ)，在計算(suàn)之前首(shou)先要明(ming)确我們(men)要設計(ji)的超聲(sheng)波測距(ju)精度是(shì)多少，而(ér)在本設(shè)計中，設(she)計精度(du)爲 lcm，也是 0.01m，超聲(shēng)波發射(shè)器的聲(shēng)波傳播(bō)到反射(shè)物，再由(yóu)反射物(wu)反射到(dào)接收器(qi)，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(zhǔn)氣壓下(xià) 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(shēng)波所傳(chuán)播的距(ju)離爲 0.02mm，這樣(yàng)便可以(yǐ)計算出(chū)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(nèi)所測的(de)距離便(bian)爲 0.01m。 N個(gè)周期所(suǒ)測的距(jù)離爲 N×； 0.01m， N個(gè)周期有(you) N個(gè)方脈沖(chòng)，也就是(shi)說，計數(shu)器測得(dé)的脈沖(chòng)數 N即爲被(bèi)測距離(li)，不過其(qí)單位爲(wei) 0.01m，因(yin)此應把(ba)計數顯(xiǎn)示器的(de)小數點(dian)點在百(bǎi)位數和(he)個位🐅數(shù)之👨‍❤️‍👨問🌈，那(na)麽示值(zhí)是以“米(mǐ)"爲單位(wèi)，其zui大顯(xian)示值爲(wèi) 9.99m。

4 設計(jì)方案

4.1 實現(xiàn)功能

本設(she)計主要(yào)的實現(xian)功能如(rú)下：

由單片(piàn)機産生(sheng)頻率爲(wei) 40kHz的(de)方波脈(mo)沖信号(hào)，超聲波(bō)發射端(duan)發出信(xìn)号，遇到(dào)障礙🈲物(wù)返回，被(bèi)👄接收端(duān)接收到(dào)。由單片(piàn)機計算(suàn)出探頭(tou)與障礙(ài)物之間(jiān)的距離(lí)，這☁️就是(shi)被測距(jù)離。

技術指(zhi)标：

設計精(jing)度爲 lcm，也就(jiù)是 0.0lm。可測量(liàng)距離由(yóu) 0m至(zhi) 9.99m。

4.2 系統(tong)結構

系統(tǒng)的基本(ben)組成包(bāo)括：單片(pian)機 (89C2051)， LCD(數(shu)碼管顯(xian)示 )，集成運(yùn)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(fāng)案

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

本(běn)方案以(yǐ)單片機(ji) ATMEL 89C2051爲(wèi)核心，通(tong)過對其(qi)進行軟(ruan)件編程(cheng)，實現該(gai)單片機(ji)對其外(wài)圍🤞電💞路(lu)的适時(shí)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(lǜ)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(ji)難度，同(tong)時更重(zhong)要的是(shì)該種設(shè)計方案(an)大大節(jiē)省了設(she)計成本(běn)，并且由(you)于是采(cai)用軟件(jian)編程技(ji)術，所以(yi)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(gong)能設計(jì)進去，而(er)我們在(zai)設計電(dian)路闆時(shí)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(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(zhì)位，當上(shàng)電複位(wèi)時， D觸發器(qì) CD4013的(de) Q腳(jiao)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(shù)器，處于(yú)等待狀(zhuàng)态。

在超聲(sheng)波接收(shou)端設計(ji)了一個(gè)信号放(fang)大電路(lù)，采用兩(liang)級同相(xiang)交☎️流放(fàng)大器，通(tong)過參數(shu)設置，每(měi)一級放(fang)大了約(yuē) 20倍(bèi)，這樣經(jing)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(ji)🚩乎是 400倍，完(wan)夠被後(hòu)續檢測(ce)電路檢(jiǎn)測到。接(jie)收傳感(gǎn)器 L2将反射(shè)的超聲(sheng)波轉換(huan)爲電信(xìn)号後，由(you)放大器(qì)放大後(hòu)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(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(zhí)流偏置(zhì)電位。需(xū)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(zhòng)要的，它(tā)可以很(hěn)好地穩(wen)定運放(fang)🤩 A741的(de)直流工(gōng)作點，不(bú)緻于使(shǐ)其同相(xiang)輸入端(duān)出現浮(fu)動狀态(tai)，而造成(cheng)輸入信(xin)号不穩(wen)定。

由于本(ben)超聲波(bō)測距系(xi)統精度(du)要求是(shi) lcm，故(gu)本人在(zai)進行距(jù)離顯示(shì)電路部(bu)分的設(shè)計時用(yong)到了三(san)個數碼(mǎ)管，其可(ke)以顯示(shi)範圍爲(wèi) 0． Olm至 9． 99m，爲了節(jie)省硬件(jian)開銷，本(ben)距離顯(xiǎn)示電路(lù)沒有使(shǐ)用譯碼(ma)器，而是(shi)直接有(yǒu)效地利(li)用了單(dān)片機的(de)有限端(duan)口來進(jin)行譯碼(ma)顯示，但(dan)是zui後由(yóu)于仍然(rán)缺少一(yī)個端口(kou)🤩，故用到(dào)了一個(ge)二一四(sì)譯碼器(qì)🔞 74LS139。

經過(guò)老師指(zhi)導，對初(chū)始設計(ji)方案進(jìn)行修改(gai)，将原超(chao)聲波發(fā)射電路(lu)改成用(yòng)芯片 LM386發射(shè)，不使用(yong)原有的(de)門控電(dian)路。原超(chāo)聲波接(jie)收電路(lu)😄改成用(yong)🈚集成 CX20106，省掉(diào)了之前(qián)的放大(da)電路。由(yóu)于采取(qu)了系統(tong)優化方(fāng)🤞案，大大(dà)🈲節省了(le)單片機(jī)的接口(kou)，原本因(yin)爲單片(piàn)機機接(jie)口不夠(gou)而擴🌍展(zhǎn)的 74LS139芯片被(bei)省略，數(shu)碼管位(wei)選直接(jiē)接在單(dan)片機接(jie)口上。這(zhe)些優🐪化(huà)✏️大大簡(jiǎn)化了設(shè)計的複(fú)雜度和(he)焊接時(shí)的困難(nán)度。

在軟件(jiàn)方面采(cǎi)用 C語言來(lái)編程，用(yòng) C語(yǔ)言來編(biān)寫目标(biao)系統軟(ruǎn)件，會大(dà)大縮短(duǎn)開發周(zhōu)期，且明(míng)㊙️顯地增(zēng)㊙️加軟件(jian)的可讀(dú)性，便于(yu)改進和(he)擴充。