如何(hé)使(shǐ)超聲波設計中應用及擴充

1 智(zhì)能超(chāo)聲波距離提示器

1． 1 什麽是超聲波測距

超聲波是指超過人的聽覺範圍以上 (16KHZ)的聲波。近二、三十年(nián) ,特别是近十年來(lái)，由于電子技術及壓(yā)電陶瓷材料的發展，使超聲檢測技術(shù)得到了迅速的發展。超聲(shēng)技術是一門以物理、電子、機械、及材料學爲基礎的通用(yòng)技術之(zhī)一。超聲技術是通過超聲波産生、傳播(bō)及接(jiē)收(shōu)的物理過程而完成的。超聲波(bō)具有聚束、定向及反射、透射等特性。

超(chāo)聲檢測技術是利用超聲波在媒質中的傳播特性 (聲速、衰減、反射(shè)、聲阻抗等 )來實現對(duì)非聲學量 (如密度、濃度、強度、彈性、硬度、粘度、溫度、流速、流量、液(yè)位、厚度、缺陷等 )的測定。它的基本原理是(shì)基于超聲波在(zài)介質中傳播時遇到(dào)不同的界面，将産生反射，折射，繞射(shè)，衰減等現象，從而使傳播的聲時，振(zhèn)幅，波形，頻(pín)率等發生相應變化，測定這些規律的變化，便可得(dé)到材料的某些性質與内部構(gòu)造情況。與傳統超聲技術*不同，新的超聲技術具有以(yǐ)下特點(diǎn)：在不破壞媒質特性的情(qíng)況下(xià)實現非接觸性(xìng)測量，環境适應能力強，可實現在線測量。

1． 2 超聲波(bō)發生器的種類

爲了研究和利用(yòng)超聲波，人(rén)們已經設計和制成了許多超聲波(bō)發生器。總體上(shàng)講，超聲波(bō)發生器可以分爲兩大類：一類(lèi)是用電器方式(shì)産生超聲波，一(yī)類是用(yòng)機械方式産生超聲波(bō)，電器(qì)方式包括壓電型，磁緻伸縮型和電動型等；機械方式(shì)有加爾統笛，液哨和氣流旋笛等。它們所産生(shēng)的超聲(shēng)波(bō)的頻率，功率和聲波特性各不相(xiàng)同，因而用途也各不相同。目前較爲(wèi)常用的是壓電式超聲波發生器。雅典市(shì)超聲波發生器實際上是利用(yòng)壓電晶體的諧(xié)振來工作的。

它(tā)有兩個(gè)壓電晶片和一個共振闆。當它的兩極(jí)外加(jiā)脈沖信号，其頻率等(děng)于壓(yā)電晶片的固有震蕩(dàng)頻率時，壓電晶片将會發生共振，并帶動(dòng)共振(zhèn)闆(pǎn)振動，便産生超聲波。反之，如果兩電極間外未加電壓，當共振闆接受到超聲波時，将壓迫壓電晶片做震(zhèn)動，将機械能轉換爲點信号，這時它就成爲超聲波接受器了。

2 研究的意義

2.1 超聲波用(yòng)于距離測量的優勢

由于(yú)超聲波(bō)頻率較高，沿直線傳(chuán)播，繞射小，穿透力強，指向性強，傳輸過程(chéng)中衰減少，能量消耗緩(huǎn)慢，在介質中傳播(bō)的距(jù)離較遠，遇(yù)到雜質或分界面時會産生反射波，因而超(chāo)聲(shēng)波經常用于距離的測量。超聲波有(yǒu)兩個特點，一個是能量大，一個是沿直線傳播(bō)，它的應用(yòng)就是(shì)按照這兩個特(tè)點展開的。

超聲波與一般(bān)聲波比較，它的振動頻率高，而且波長短，因(yīn)而具有束(shù)射特性(xìng)，方向性強，可以定(dìng)向傳播，其能(néng)量遠遠大于振幅相同的一般聲波，并且(qiě)具有很高的穿透能(néng)力。

2.2 研究的意義

本設計(jì)采用(yòng)單片機來實(shí)現智能超聲波測(cè)距，雖其在功能上是不(bú)能與(yǔ)商品的，高精度的智能超(chāo)聲波測距儀相比的，但優點在(zài)于系統規模較小，器件更(gèng)換(huàn)容易，成本低(dī)，有一定靈活性。但不适宜用于測量(liàng)過于或者過大(dà)的距離，容易産生誤(wù)差(chà)。

3 研究的關鍵技術

3.1 頻率發生

本設計中共用到了(le)兩個(gè)重要的頻率 ,爲了(le)實現輸出頻率的(de)性 ,在設計時用(yòng)到了單片(piàn)機 ,因爲頻率發生電路是整個電路的核心 ,有單片機發生的頻率必須準确 ,否則測得的距離顯示會産生很大誤差。在考慮整(zhěng)體方案的時候，也想到(dào)用一片單片集成電路來完成頻率信号的産生(shēng)及其分類工作，也*可以實現電路的功能，但是要想實(shí)現高精度要求，有些困難。zui後還是選(xuǎn)擇用單片機來完(wán)成頻(pín)率的(de)産生工作。

*個頻率，超(chāo)聲波(bō)的發射中心(xīn)頻率，信号本來就(jiù)是 40kHz，并由單片(piàn)機的 P3． 0口(kǒu)輸出。這是由單片機内部的定時器由軟件編程所産生，具(jù)體需要由程序(xù)來設定。

第二個頻率就是單片機進行數碼顯(xiǎn)示的(de)計(jì)數頻率，在(zài)計算之前首先要明确(què)我們要(yào)設計的超聲波測距精度是多少，而(ér)在本設計中，設計精度爲(wèi) lcm，也(yě)是 0.01m，超聲波發射器的(de)聲波傳播到(dào)反射物，再由反射(shè)物反射到接收器，所傳(chuán)播的(de)距離爲 2倍測量距離，而大(dà)家知道，聲波在标準氣壓下 15℃的傳(chuán)播速度爲 341m／ s，因此，我(wǒ)們要設計成在一個時鍾周期内超聲波(bō)所傳播的距離爲 0.02mm，這(zhè)樣便可以計算出定時器的溢出頻率是 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是 17.05kHz，這樣在一個(gè)時鍾周期(qī)内所測的距離便爲 0.01m。 N個周期所測的距離爲 N×； 0.01m， N個周(zhōu)期有 N個方脈沖，也(yě)就是說，計數器測得的脈沖數 N即爲被測距離，不過其單位爲 0.01m，因此應把計數顯(xiǎn)示(shì)器的小數點點(diǎn)在百位數(shù)和個位數(shù)之問，那麽示值(zhí)是以“米"爲單位，其zui大顯示值爲 9.99m。

4 設計方案

4.1 實現功能(néng)

本設計(jì)主要的(de)實現功(gōng)能如下：

由單片機産生頻率爲 40kHz的方波脈沖信号，超聲波發射端發出信号(hào)，遇到障礙物返回，被接收端接收到(dào)。由單片機計算出探頭與(yǔ)障礙物之間的距離，這就(jiù)是被測距離。

技術指(zhǐ)标：

設計精度爲 lcm，也就是 0.0lm。可測量距離由 0m至 9.99m。

4.2 系統結構

系統的基本組(zǔ)成包括：單片機 (89C2051)， LCD(數碼管顯示 )，集成運放 (CX20106)，集成放大器 (LM386)，超聲波發射，接(jiē)收探頭。

4.3 系統方案

要使整個系統能夠正(zhèng)常、順利的工作，就得有一個(gè)好的硬件和軟件。

本方案以單片機 ATMEL 89C2051爲核心，通過對(duì)其進行軟件(jiàn)編程，實現該單片機對其(qí)外圍電路的适時控制，并提供給外圍電路各種所需的信(xìn)号，包括頻率振蕩信号、數據處理信号等等，大大簡化了外(wài)圍電路的設計難度，同時更重要的是該(gāi)種設計方案大大(dà)節(jiē)省了設計(jì)成本，并(bìng)且由于(yú)是采用軟件編程技術，所以其移植(zhí)性能好(hǎo)，在設計電路時可以将其他更多的功能設計進去，而我們在設計電路闆時就可以(yǐ)根(gēn)據自己的設計目的焊接元件。

在初始方案(àn)設計時，我打算在超聲波(bō)發射端使用 RS觸發器 CD4013作爲(wèi)門控(kòng)電路，當 R=1； (S=0)時複位，即 Q=0； S=l(R=0)時置位(wèi)，當上電複位時， D觸發器 CD4013的 Q腳輸出低電平加到單片機的 P3-3口，不啓動内部(bù)計數器，處于等待狀(zhuàng)态。

在超聲波接收(shōu)端設計了一個信(xìn)号放大電路，采用兩級同相交流放大器(qì)，通過參數設置，每一(yī)級(jí)放大了約 20倍，這樣經過兩級放大(dà)後，接收到的超聲波(bō)信号就被放大了幾(jǐ)乎是 400倍，完夠被後續檢測電路檢測(cè)到。接收傳(chuán)感器 L2将反射的超聲波轉(zhuǎn)換爲電信号後，由放(fàng)大器放大後再(zài)送到由 U1B、 U1C等組成的斯密特整形電路整理成(chéng)規範的方脈沖。電阻 R11和電位器 R12爲同相端提供直流偏置電位。需(xū)要注意的(de)是這兩個(gè)直流偏置電阻的作用是相當(dāng)重要的，它可以很好地穩定運放 A741的直流工作點，不(bú)緻于使其同相輸(shū)入端出現浮動狀态，而造成輸入(rù)信号(hào)不穩定。

由于本超聲波測(cè)距系統精度要求是 lcm，故本人在進行距離顯示電路部分的設計時(shí)用到了三個數碼(mǎ)管(guǎn)，其可以顯示範圍爲 0． Olm至 9． 99m，爲了節省硬(yìng)件開銷，本距離顯示電路沒有使用(yòng)譯碼器，而是直接有效地利用了單片機的有限端口來進行譯碼(mǎ)顯示，但是zui後由于(yú)仍然缺少一個端口，故用到了(le)一個二一四譯碼器 74LS139。

經過老師指導，對初始(shǐ)設計方案進行(háng)修改，将原超聲波發射電路改成用芯片 LM386發射，不使用原(yuán)有的門控電路。原超聲波接收電路改成用集成 CX20106，省掉了之前的放大電路。由于采取了系統優(yōu)化方案(àn)，大大節省了單片機的接口，原本因爲單片機機接口不夠而擴展的 74LS139芯片被省略(luè)，數碼管位選直接接在單片機接口上。這些優化大大簡化了設計的複雜度和焊接時的困(kùn)難度。

在軟件方(fāng)面采用 C語言來編程，用 C語言來編寫目标(biāo)系統軟件(jiàn)，會大大縮短開(kāi)發周期，且明顯(xiǎn)地增加軟(ruǎn)件的可讀性，便于改進(jìn)和擴充。