智能超聲波測距原理

 智能超聲波距離提示器
1．1 什么是超聲波測距
超聲波是指超過人的聽覺范圍以上（16KHZ）的聲波。近二、三十年,特別是近十年來，由于電子技術及壓電陶瓷材料的發展，使超聲檢測技術得到了迅速的發展。超聲技術是一門以物理、電子、機械、及材料學為基礎的通用技術之一。超聲技術是通過超聲波產生、傳播及接收的物理過程而完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性。
超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、聲阻抗等）來實現對非聲學量（如密度、濃度、強度、彈性、硬度、粘度、溫度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等）的測定。它的基本原理是基于超聲波在介質中傳播時遇到不同的界面，將產生反射，折射，繞射，衰減等現象，從而使傳播的聲時，振幅，波形，頻率等發生相應變化，測定這些規律的變化，便可得到材料的某些性質與內部構造情況。與傳統超聲技術*不同，新的超聲技術具有以下特點：在不破壞媒質特性的情況下實現非接觸性測量，環境適應能力強，可實現在線測量。

1．2 超聲波發生器的種類
為了研究和利用超聲波，人們已經設計和制成了許多超聲波發生器。總體上講，超聲波發生器可以分為兩大類：一類是用電器方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波，電器方式包括壓電型，磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統笛，液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率，功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發生器。雅典市超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。結構如下圖所示：


圖1-1 超聲波傳感器結構圖
它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有震蕩頻率時，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間外未加電壓，當共振板接受到超聲波時，將壓迫壓電晶片做震動，將機械能轉換為點信號，這時它就成為超聲波接受器了。
2 研究的意義
2.1 超聲波用于距離測量的優勢
由于超聲波頻率較高，沿直線傳播，繞射小，穿透力強，指向性強，傳輸過程中衰減少，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，遇到雜質或分界面時會產生反射波，因而超聲波經常用于距離的測量。超聲波有兩個特點，一個是能量大，一個是沿直線傳播，它的應用就是按照這兩個特點展開的。
超聲波與一般聲波比較，它的振動頻率高，而且波長短，因而具有束射特性，方向性強，可以定向傳播，其能量遠遠大于振幅相同的一般聲波，并且具有很高的穿透能力。

2.2 研究的意義
本設計采用單片機來實現智能超聲波測距，雖其在功能上是不能與商品的，高精度的智能超聲波測距儀相比的，但優點在于系統規模較小，器件更換容易，成本低，有一定靈活性。但不適宜用于測量過于或者過大的距離，容易產生誤差。


3 研究的關鍵技術
3.1 頻率發生
本設計中共用到了兩個重要的頻率,為了實現輸出頻率的性,在設計時用到了單片機,因為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確,否則測得的距離顯示會產生很大誤差。在考慮整體方案的時候，也想到用一片單片集成電路來完成頻率信號的產生及其分類工作，也*可以實現電路的功能，但是要想實現高精度要求，有些困難。zui后還是選擇用單片機來完成頻率的產生工作。
*個頻率，超聲波的發射中心頻率，信號本來就是40kHz，并由單片機的P3．0口輸出。這是由單片機內部的定時器由軟件編程所產生，具體需要由程序來設定。
第二個頻率就是單片機進行數碼顯示的計數頻率，在計算之前首先要明確我們要設計的超聲波測距精度是多少，而在本設計中，設計精度為lcm，也是0.01m，超聲波發射器的聲波傳播到反射物，再由反射物反射到接收器，所傳播的距離為2倍測量距離，而大家知道，聲波在標準氣壓下15℃的傳播速度為341m／s，因此，我們要設計成在一個時鐘周期內超聲波所傳播的距離為0.02mm，這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，這樣在一個時鐘周期內所測的距離便為0.01m。N個周期所測的距離為N×；0.01m，N個周期有N個方脈沖，也就是說，計數器測得的脈沖數N即為被測距離，不過其單位為0.01m，因此應把計數顯示器的小數點點在百位數和個位數之問，那么示值是以“米”為單位，其zui大顯示值為9.99m。
4 設計方案
4.1 實現功能
本設計主要的實現功能如下：
由單片機產生頻率為40kHz的方波脈沖信號，超聲波發射端發出信號，遇到障礙物返回，被接收端接收到。由單片機計算出探頭與障礙物之間的距離，這就是被測距離。
技術指標：
設計精度為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，接收探頭。
智能超聲波距離提示器硬件結構框圖如下圖：
4.3 系統方案
要使整個系統能夠正常、順利的工作，就得有一個好的硬件和軟件。
本方案以單片機ATMEL 89C2051為核心，通過對其進行軟件編程，實現該單片機對其外圍電路的適時控制，并提供給外圍電路各種所需的信號，包括頻率振蕩信號、數據處理信號等等，大大簡化了外圍電路的設計難度，同時更重要的是該種設計方案大大節省了設計成本，并且由于是采用軟件編程技術，所以其移植性能好，在設計電路時可以將其他更多的功能設計進去，而我們在設計電路板時就可以根據自己的設計目的焊接元件。
在初始方案設計時，我打算在超聲波發射端使用RS觸發器CD4013作為門控電路，當R=1；（S=0）時復位，即Q=0；S=l（R=0）時置位，當上電復位時，D觸發器CD4013的Q腳輸出低電平加到單片機的P3-3口，不啟動內部計數器，處于等待狀態。
在超聲波接收端設計了一個信號放大電路，采用兩級同相交流放大器，通過參數設置，每一級放大了約20倍，這樣經過兩級放大后，接收到的超聲波信號就被放大了幾乎是400倍，完夠被后續檢測電路檢測到。接收傳感器L2將反射的超聲波轉換為電信號后，由放大器放大后再送到由U1B、U1C等組成的斯密特整形電路整理成規范的方脈沖。電阻R11和電位器R12為同相端提供直流偏置電位。需要注意的是這兩個直流偏置電阻的作用是相當重要的，它可以很好地穩定運放 A741的直流工作點，不致于使其同相輸入端出現浮動狀態，而造成輸入信號不穩定。
由于本超聲波測距系統精度要求是lcm，故本人在進行距離顯示電路部分的設計時用到了三個數碼管，其可以顯示范圍為0．Olm至9．99m，為了節省硬件開銷，本距離顯示電路沒有使用譯碼器，而是直接有效地利用了單片機的有限端口來進行譯碼顯示，但是zui后由于仍然缺少一個端口，故用到了一個二一四譯碼器74LS139。
經過老師指導，對初始設計方案進行修改，將原超聲波發射電路改成用芯片LM386發射，不使用原有的門控電路。原超聲波接收電路改成用集成CX20106，省掉了之前的放大電路。由于采取了系統優化方案，大大節省了單片機的接口，原本因為單片機機接口不夠而擴展的74LS139芯片被省略，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復雜度和焊接時的困難度。
在軟件方面采用C語言來編程，用C語言來編寫目標系統軟件，會大大縮短開發周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進和擴充。