超声波测距系统方案研究与设计

2012-04-05 15:52:58来源: 电子科技

  在日常生产生活中,很多场合如汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量等需要自动进行非接触测距。超声波是指频率大于20 kHz的在弹性介质中产生的机械震荡波,其具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离相对较远等特点,因此常被用于非接触测距。由于超声波对光线、色彩和电磁场不敏感,因此超声波测距对环境有较好的适应能力,此外超声波测量在实时、精度、价格也能得到很好的折衷。

  为此,文中尝试以单片机AT89S52为核心,利用一对40 kHz压电超声传感器设计一款体积较小、价格低廉、精度较高、具有温度补偿、实时LCD显示和报警的超声波测距仪。

  1 超声波测距原理

  超声波传感器分机械方式和电气方式两类,它实际上是一种换能器,在发射端它把电能或机械能转换成声能,接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器,它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,就成为超声波接收器。在超声波电路中,发射端输出一系列脉冲方波,脉冲宽度越大,输出的个数越多,能量越大,所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同,使用时应分清器件上的标志。

  超声波测距的方法有多种:如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,经反射后由超声波接收器接收脉冲,其所经历的时间即往返时间,往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。

  假定s为被测物体到测距仪之间的距离,测得的时间为t/s,超声波传播速度为v/m·s-1表示,则有关系式(1)

s=vt/2 (1)

  在精度要求较高的情况下,需要考虑温度对超声波传播速度的影响,按式(2)对超声波传播速度加以修正,以减小误差。

v=331.4+0.607T (2)

  式中,T为实际温度单位为℃,v为超声波在介质中的传播速度单位为m/s。

一些温度下的声速

  2 系统总体设计方案

  本系统由超声波发射、回波信号接收、温度测量、显示和报警、电源等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。系统原理框图,如图1所示。

系统原理框图

  整个系统由单片机AT89S52控制,超声波传感器采用收发分体式,分别是一支超声波发射换能器TCT40-16T和一支超声波接收换能器TCT40-16R。超声波信号通过超声波发射换能器发射至空气中,遇被测物反射后回波被超声波接收换能器接收。进行相关处理后,输入单片机的INT0脚产生中断,计算中间经历的时间,同时再根据具体的温度计算相应的声速,根据式(2)就可得出相应的距离用来显示,当然在一些场合也可根据需要,设置距离报警值。

  3 硬件设计

  3.1 超声波发射部分

  超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT40-16T能向外界发出40 kHz左右的方波脉冲信号。40 kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法:采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出,本系统采用后者。编程由单片机P1.0端口输出40 kHz左右的方波脉冲信号,由于单片机端口输出功率不够,40 kHz方波脉冲信号分成两路,送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远,满足测量距离要求,最后送给超声波发射换能器TCT40-16T以声波形式发射到空气中。发射部分的电路,如图2所示。图中输出端上拉电阻R31,R32,一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力,另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果,缩短其自由振荡的时间。

发射部分的电路

  3.2 超声波接收部分

  上述TCT40-16T发射的在空气中传播,遇到障碍物就会返回,超声波接收部分是为了将反射波(回波)顺利接收到超声波接收换能器TCT40-16R进行转换变成电信号,并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后,这里用索尼公司生产的集成芯片CX20106,得到一个负脉冲送给单片机的P3.2(INT0)引脚,以产生一个中断。接收部分的电路,如图3所示。

超声波接收部分

  可以看到,集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片,其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点,由于红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz比较接近,而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0五可由其5脚外接电阻调节,阻值越大中心频率越低,范围为30~60 kHz。故本次设计用它来做接收电路。CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。工作过程如下:接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器,将信号调整到合适幅值的矩形脉冲,由滤波器进行频率选择,滤除干扰信号,再经整形,送给输出端7脚。当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时,其输出端7脚就输出低电平,而输出端7脚直接接到.AT89S52的INT0引脚上,以触发中断。若频率有一些误差,可调节芯片引脚5的外接电阻R42,将滤波器的中心频率设置在40 kHz,就可达到理想的效果。

 3.3 其他主要电路

  (1)温度测量部分。

  由于声音的速度在不同的温度下有所不同,为提高系统的精度,采用了温度补偿功能。这里采用的主要元器件是是美国Dallas半导体公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20,其具有精度高、智能化、体积小、线路简单等特点。将DS18B20数据线与单片机的P1.1口相连,就可以实现温度测量,如图4所示。

温度测量部分

  (2)LCD显示部分。

  本设计显示部分采用字符型TC1602液晶显示所测距离值。TC1602显示的容量为2行16个字。液晶显示屏有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸多优点,与数码管相比,显得更专业、美观。使用时,可将P0与LCD的数据线相连,P2口与LCD的控制线相连,如图5所示。

LCD显示部分

[1] [2]

关键字:超声波测距  测量精度  压电超声传感器

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0405/article_4931.html
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