超聲波戶外散霧傳感器電路裝置

華東師范大學信息科學技術學院 張 洋

山東省萊蕪市中醫醫院 張常青

目前國內外對超聲波的研究很多，并且有許多與人們日常生活息息相關的應用。超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等，在醫學、軍事、工業、農業上應用廣泛。考慮到大霧導致車禍對人生命健康的極大危害以及超聲波的優越性，我們有了對這個題目進行研究的想法。

1.關于超聲波的研究

超聲波在媒質中的反射、折射、衍射、散射等傳播規律，與可聽聲波的規律沒有本質上的區別。但是超聲波的波長很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。與可聽聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性──超聲波的波長很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領很差，它在均勻介質中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，該特性就越顯著［1］。功率特性——當聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復振動而對微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大［1］。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的。空化作用——當超聲波在液體中傳播時，由于液體微粒的劇烈振動，會在液體內部產生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，會使液體微粒之間發生猛烈的撞擊作用，從而產生幾千到上萬個大氣壓的壓強。微粒間這種劇烈的相互作用，會使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發生乳化，且加速溶質的溶解，加速化學反應，這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應稱為超聲波的空化作用［2］。另外超聲波還具有化學效應。

現在我們介紹有關超聲波散霧的知識，一定頻率的超聲波作用與霧滴也會發生作用，霧滴在吸收超聲波的同時與此超聲波產生共振，發生共振時，霧滴的結構發生破碎或碰撞，達到驅霧散霧的實施目的。這就給我們這個研究項目，利用超聲波來散霧，提供了理論依據。

超聲波對自然霧氣中粉塵顆粒具有聚結的作用，從而能加速沉降，沉降的結果使分散體系發生相分離［3］。可利用懸浮在流體(氣體或液體)中的固體顆粒下沉而與流體分離。總的來說，超聲波對非均一系統的作用，主要是利用聲能使懸浮的顆粒積聚成比較大的顆粒，然后使之沉降，霧氣中的霧滴在于超聲波發生共振式，結構破碎，比重輕的水汽上浮，比重大的顆粒聚集并下沉，從而最終達到散霧的目的。

2.超聲波除霧裝置工作原理

當把超聲波散霧的道理應用到實際中時，則是以超聲波散霧電路的形式實現得（即除霧裝備），其特征是電子振蕩電路產生與霧滴發生共振的超聲波振蕩頻率信號，振蕩電路連接電子功率放大電路，功率放大電路連接超聲波換能器，或電子振蕩電路直接輸出連接超聲波換能器；同時，通過外加電路或振蕩電路本身產生高幅度的脈沖波由功放電路混合到電路中，使所發射的超聲波混合有高幅度的脈沖波成份，霧滴在吸收超聲波的同時與此超聲波產生共振，發生共振時，霧滴的結構發生破碎或碰撞，達到驅霧散霧的實施目的。除霧裝備的啟動和停止有對霧敏感的濕度傳感器控制電路來自動控制。

3.散霧濕度傳感器電路設計

3.1 硬件部分（電路）

3.1.1 主要芯片選擇與芯片特點

AT89SS52單片機：AT89SS52是基于增強的51結構的低功耗8位CMOS微控制器。高性能、低功耗的AT89SS52單片機主要特點如下：先進的RISC結構、非易失性的程序和數據存儲器、JTAG接口、外設特點、特殊的處理器特點［4］。因此AT89SS52成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。

濕度傳感器SHT10：瑞士Sensirion公司推出了SHTxx單片數字溫濕度集成傳感器。采用CMOS過程微加工專利技術（CMOSens technology），確保產品具有極高的可靠性和出色的長期穩定性。該傳感器由1個電容式聚合體測濕元件和1個能隙式測溫元件組成，并與1個14位A/D轉換器以及1個2-wire數字接口在單芯片中無縫結合［4］，使得該產品具有功耗低、反應快、抗干擾能力強等優點。

SHT10的主要特點如下：相對濕度和溫度的測量兼有露點輸出；全部校準，數字輸出；接口簡單（2-wire），響應速度快；超低功耗，自動休眠；出色的長期穩定性；超小體積（表面貼裝）；測濕精度±45%RH，測溫精度±0.5℃（25℃）［4］。

3.1.2 原理圖

原理圖 Schematic diagram

3.2 程序設計實現的功能

通過濕度傳感器SHT10自動檢測的環境濕度，然后通過AT89SS52單片機處理并在液晶上顯示，當濕度上升到達某一定值，蜂鳴器響，一個發光二極管亮，當濕度下降到某一定值，蜂鳴器停，另一個一個發光二級管亮。濕度控制的上下限可自行設定。此外可以顯示日期與時間。

4.本裝置實現功能與使用方法

4.1 該裝置通過濕度傳感器SHT10測量環境濕度，然后通過AT89SS52單片機處理并在液晶上顯示，當濕度上升到達某一定值，蜂鳴器響，一個發光二極管亮，此時表示除霧裝備啟動；當濕度下降到某一定值，蜂鳴器停，另一個發光二級管亮，此時表示除霧裝備停止工作。同時，濕度控制的上下限可以自己設定，調整起來非常便利，可以實現復位、功能選擇、增大減小量程、確定等功能。所選用的SHT10精度高，反應靈敏，探測電路的反應速度快，可以非常準確的控制除霧裝置開啟和關閉，從而最大化地平衡功耗和效果之間的關系。

4.2 電路實物使用方法：本裝置濕度控制的上下限可自行設定。第一個鍵是復位鍵，可以將各設置清除。第二個是功能鍵，可以選擇調節什么變量。第三個按鍵是增加鍵，可對數字進行增大調整。第四個按鍵是減小鍵，可對數字進行減小調整。第五個按鍵是確定鍵。

5.小結

我們對超聲波散霧的原理及可行性方面的研究投入了很多的時間和精力。并設計出對霧敏感的濕度傳感器控制電路，該電路能夠及時監測霧的降臨，并自動啟動除霧設備，并在除霧后切斷除霧設備的電源，實現自動控制。將設計功能電路做成實物。但是由于無法得到大功率超聲波發生設備及自身物理知識的不足，沒有對“超聲波在什么頻率范圍下可以散霧”得出確切的結論。

[1]Alain Leger,Marc Deschamps.Ultrasonic Wave Propagation in Non Homogeneous Media[M].Berlin:Heidelberg,2009:12-21.

[2]曾文遠,劉心緒.熱學與分子物理[M].成都:四川教育出版社,1987:212-214.

[3]Michael Allaby.Fog,smog&poisoned rain[M].上海:上海科學計技術文獻出版社,2009:2-22.

[4]鄭峰,王巧芝,劉瑞國,等.51單片機應用系統(第2版)[M].北京:中國鐵道出版社,2011:10-58.