高精度超声波测量距离系统的设计与实现

2010-04-16 20:48:56来源: 互联网

引言

  在工程实践中,超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远,因而经常用于距离的测量。它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等,例如:距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便,且计算简单、易于做到实时控制,在测量精度方面也能达到工业实用的要求,因此得到了广泛的应用。

超声波测距的基本原理

  超声波发生器在某一时刻发出超声波信号,遇到被测物体后反射回来,被超声波接收器接收到。只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间,知道在介质中的传播速度,就可以计算出距被测物体的距离:

  d=s/2=(vt)/2 (1)

  其中d为被测物到测距仪之间的距离,s为超声波往返通过的路程,v为超声波在介质中的传播速度,t为超声波从发射到接收所用的时间。为了提高精度,需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系:

  v=331.4+0.61T (2)

  式中,T为实际温度(℃),v的单位为m/s。

压电式超声波传感器的原理

  目前,超声波传感器大致可以分为两类:一类是用电气方式产生的超声波,一类是用机械方式产生的超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。在工程中,目前较为常用的是压电式超声波传感器。

  压电式超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。压电式超声波发生器的内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,且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,便产生超声波。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,这时即为超声波接收器。

反射式超声波测距仪的硬件电路设计

  本系统硬件电路由单片机最小系统、温度补偿电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路构成,如图1所示。

  本超声波测距仪的具体工作过程如下,在单片机产生复位信号后,由MC9S12DG128B产生一个控制信号,控制外围电路产生40kHz的超声波,经整形放大后加到超声波换能器发射出频率为40kHz的超声波。同时,计数MC9S12DG128B内部的定时器,测量超声波信号从发出到接收所花的时间,并把经超声波换能器R接收到的超声波信号放大、滤波、整形,并作为接收信号来启动定时器的输入捕捉功能,完成一次超声波测距的时间操作。同时,由温度传感器DS18B20测得当前的环境温度,读入单片机,然后经其处理,在液晶显示屏上显示相应的测量值以及当前温度。

微控制器MC9S12DG128B

  MC9S12DG128B是飞思卡尔公司推出的S12控制器中的一款16位微控制器。其集成度高,片内资源丰富,接口模块包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等,在FLASH存储控制及加密方面有较强的功能。

  MC9S12DG128B微控制器采用增强型16位S12 CPU,片内总线时钟频率最高可达25MHz;片内资源包括8kB RAM、128kB FLASH、2kB EEPROM、SCI、SPI及PWM串行接口模块;PWM模块可设置成4路8位或2路16位,可宽范围选择时钟频率;它还提供2个8路10位精度A/D转换器、控制器局域网CAN和增强型捕捉定时器,并支持背景调试模式(BDM)。

超声波的发射电路

  

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关键字:超声波传感器  接收电路  超声波发生器  字符发生器  数字温度传感器

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2010/0416/article_2469.html
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