超聲波測距-文獻綜述

1、超聲測距系統(tǒng)設(shè)計綜述朱麗45摘要：超聲測距技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場、車輛導(dǎo)航、水聲工程等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用價值， 目前已應(yīng)用于物位測量、機器人自動導(dǎo)航以及空氣中與水下的目標(biāo)探測、識別、定位等場合。因此，深入研究超聲的測距理論和方法具有重要的實踐意義。系統(tǒng)介紹了硬件和軟件兩個方面。 在硬件方面，圍繞單片機展開，設(shè)計了具有通 信、預(yù)處理等接口的硬件電路，完成對回波數(shù)據(jù)的采集、處理、上傳等功能，并利用 單片機片內(nèi)的溫度傳感器采集環(huán)境溫度， 對聲速做出修正；在軟件方面，利用Matlab 仿真工具構(gòu)造發(fā)射信號和回波數(shù)據(jù)對互相關(guān)時延估計法、偽隨機碼擴頻測距和LMS自適應(yīng)時延估計算法進行仿真，分析了仿真結(jié)果和上述算

2、法的優(yōu)缺點，最后選定互相 關(guān)時延估計法為超聲測距處理算法。關(guān)鍵詞：超聲波；測距儀；單片機；估計法正文1 .前言超聲測距指的是利用超聲波的反射特性進行距離測量，在車輛自動導(dǎo)航、機器 入的定位和對象識別、海洋水聲以及工業(yè)距離的測量方面具有重要意義。常見的測距 原理和方法主要有脈沖回波法和相位差法兩種。相位差法與脈沖回波法的不同體現(xiàn)在對回波的處理方式上，由超聲波換能器接收端獲得調(diào)制聲波的回波，經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換后，得到與放大的相位完全相同的電信號， 此電信號放大后與光源的驅(qū)動電壓相比較， 測得兩個正弦電壓的相位差，根據(jù)所測相 位差就可算得所測距離。由于采用的是相位比較，使得測距精確度大大提高，但這種 方

3、法本身存在明顯的缺陷。由于相位測量存在以2n為周期的多值解，從而容易造成解 的不確定性。為了消除多解，常常需要引入包絡(luò)檢測和采用發(fā)射多種不同頻率波的方 式減小不確定度，這就使得該方法的實現(xiàn)復(fù)雜化。2 .系統(tǒng)方案比較與選擇2.1 利用分立模塊的超聲波測距儀系統(tǒng)包括超聲波測距模組、LED數(shù)碼顯示模組、驅(qū)動模組控制模組及電源五部分。超聲波測距模塊主要由發(fā)射部分和接收部分組成，超聲波的發(fā)射受主控制器控制 （如圖1所示）；超聲波換能器諧振在40KHz的頻率，模塊上帶有40KHz方波產(chǎn)生電 路。顯示模塊是一個8位段數(shù)碼顯示的LCD測量結(jié)果的顯示用到三位數(shù)字段碼，格 式為X點XX米，同時還用兩位數(shù)字段碼顯示

4、數(shù)據(jù)的個數(shù)。電源采用9V的DC電源輸入，經(jīng)穩(wěn)壓管后得出5V以及3.3V的電源供系統(tǒng)各部分 電路使用。圖1超聲波測距模塊組硬件框圖優(yōu)點：具有歷史數(shù)據(jù)存儲功能、出錯管理功能。缺點：能測的最小距離比較長，不能實現(xiàn)雙向測距，電路復(fù)雜性能穩(wěn)定性不高。2.2 基于AT89C51單片機的超聲波測距儀超聲波測距儀主要以單片機AT89C51為核心，具發(fā)射器是利用壓電晶體的諧振帶 動周圍空氣振動來工作的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波， 在發(fā)射的同時開始 計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來， 超聲波接收器接收到反 射波就立即停止計時。一般情況下，超聲波在空氣中的傳播速度為340m/ s,根據(jù)計

5、時器記錄的時間t ,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 S,即S=340X t/2 ,這就 是常用的時差法測距。在測距計數(shù)電路設(shè)計中，采用了相關(guān)計數(shù)法，其主要原理是：測量時單片機系統(tǒng)先給發(fā)射電路提供脈沖信號，單片機計數(shù)器處于等待狀態(tài)，不計數(shù)；當(dāng)信號發(fā)射一段 時間后，由單片機發(fā)出信號使系統(tǒng)關(guān)閉發(fā)射信號， 計數(shù)器開始計數(shù)，實現(xiàn)起始時的同 步；當(dāng)接收信號的最后一個脈沖到來后，計數(shù)器停止計數(shù)。雙向超聲波測距儀的系統(tǒng)主要有幾下部分組成（如圖 2所示）：LED顯示模塊，優(yōu)點：雙向測距，精度高，功耗低。在電路中我們采用PIC芯片它的優(yōu)點是：精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高；徹底 的保密性；其引腳具有防瞬態(tài)能力，通

6、過限流電阻可以接至220V交流電源，可直接與繼電器控制電路相連，無須光電耦合器隔離，給應(yīng)用帶來極大方便?；谏鲜鰞煞N方案的比較，方案一，測量盲區(qū)較長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且穩(wěn)定性不高。方 案二，能進行雙向測距，精度高，功耗低，模塊簡單，穩(wěn)定性高。所以選用方案二。3 .方案設(shè)計與論證3.1 系統(tǒng)整體方案的設(shè)計由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng) 常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，并且 在測量精度方面也能達到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動化的使用要求。超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械 方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、

7、電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣 流旋笛等。它們所產(chǎn)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。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，本文采用AT89C5俾片機作為控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LE國字顯示,超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器3.2 系統(tǒng)整體方案的論證超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受， 根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出 傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接 收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式， 適用于測距儀。此次設(shè)計采用反射波方式。測距儀的

8、分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效 應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當(dāng)?shù)乃p， 衰減的程度與頻率的高低成正比； 而頻率高分辨率也高，故短距離測量時應(yīng)選擇頻率 高的傳感器，而長距離的測量時應(yīng)用低頻率的傳感器。3.3 超聲波測距儀原理單片機發(fā)出40kHz的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接 收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程 序，測得時間為t,再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送 LED顯示。圖3測距系統(tǒng)原理圖超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變

9、為同頻率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體 動力型。4 .系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、 超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測 接收電路三部分。單片機采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHzt精度的晶振，以 獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路 采用簡單實用的4位共陽LEDR碼管，段碼用74LS244驅(qū)動，位碼用PNP三極管8550 驅(qū)動。4.1 單片機實現(xiàn)測距原理單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障

10、礙物所反射的回波， 從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 Tr,然后求出距離S= CTr/2,式中的C為超聲波 波速。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在 4個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和 入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能 力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個 超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計方法。由于超聲波屬于聲波范 圍，其波速C與溫度有關(guān)。4.2 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖所示。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射 換能器T構(gòu)成，單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經(jīng)一

11、級反向器后送到 超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極， 用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。 輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻R1O R11 一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果， 縮短其自由振蕩時間。741504圖4超聲波發(fā)射電路原理圖壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。 超聲波換能器內(nèi)部有兩個 壓電晶片和一個換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩 頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就

12、是一個超聲 波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電 晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。 超聲波發(fā)射 換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。4.3 超聲波檢測接收電路集成電路CX20106批一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近, 可以利用它制作超聲波檢測接收電路（如圖）。實驗證明用CX20106Ag收超聲波（無信號時輸出高電平），具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4勺大小，可以改變接收電路的靈

13、敏度和抗干擾能力。* IQO -i-笳口pF1p.F13出卜圖5超聲波檢測接收電路5 .系統(tǒng)軟件的設(shè)計超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要由主程序、 超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程 序及顯示子程序組成。我們知道C®言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序 則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù) 雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制 程序可采用CS言和匯編語言混合編程。超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器Tft某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)這個超 聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 師接收到。這樣只要計算出從發(fā)

14、 出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間， 就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距 離。距離的計算公式為：d=s/2=(c xt)/2其中，d為被測物與測距儀的距離，s為聲波的來回的路程，c為聲速，t為聲波來 回所用的時間。 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器 T0,利用定時器的 計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。 當(dāng)收到超聲波反射波時，接收 電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外 部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。(&主程序流程隔巾)定時中野服名子程序區(qū)外部中淅服晝子程序圖6超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計

15、軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖所示。主程序完成初始化工作、 各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。定時中斷服務(wù)子程序完成三個方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要 完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。6 .總結(jié)以上介紹了超聲波測距系統(tǒng)，通過發(fā)射和接受超聲波，使用單片機計算距離，并 加入了溫度補償電路，提高了距離計算的精度。該系統(tǒng)可滿足大多數(shù)場合的測距要 求。由于該系統(tǒng)中鎖相環(huán)鎖定需要一定時間。 測得的距離有誤差。在汽車?yán)走_應(yīng)用中此誤差可忽略不計；但在精度要求較高的工業(yè)領(lǐng)域如機器人自動測距等方面。此誤差 不能忽略。只有通過改變一些硬件的應(yīng)用實現(xiàn)對超聲波的快速鎖定。1孔雅瓊：基于單片機的超聲測距儀研究與開發(fā)，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)2張 芬：基于C8051F32舶片機的超聲波測距儀，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機械與電子 信息學(xué)院，儀表技術(shù)與傳感器，09年12期3李為民：基于stc89單片機的超聲波測距儀,陜西師范大學(xué)學(xué)報，05年6月33a4胡福云：基于單片機的超聲波測距儀，湖北工業(yè)大學(xué)，科技視野5陳瑩：基于單片機的超聲測距系統(tǒng)，華中科技大學(xué)6符艷輝：基于單片機控制的超聲波測距儀的設(shè)計，吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院，農(nóng)業(yè) 與技術(shù)，08年2月28卷7譚洪濤：單片機設(shè)計測距儀原理及其簡單應(yīng)用，重慶通信學(xué)8曾毓敏：