超聲波傳感器測(cè)距原理

1、芀一、超聲波測(cè)距原理肅超聲波測(cè)距原理是通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí),超聲波在空氣中傳播時(shí)碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為v ,而根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t ,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S ,即: 膂S = v·t /2 芀這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。蝿?dòng)捎诔暡ㄒ彩且环N聲波, 其聲速C與溫度有關(guān),表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí),如果溫度變化不大, 則可認(rèn)為聲速是基本不變的。常溫下超聲波的傳播速度是334 米/秒,但其傳播速度V 易受空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影

2、響,其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1 , 聲速增加約0. 6 米/ 秒。如果測(cè)距精度要求很高, 則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕū鞠到y(tǒng)正是采用了溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎＲ阎F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度T 時(shí), 超聲波傳播速度V 的計(jì)算公式為：螅V = 331.45 + 0.607T 芄聲速確定后, 只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間,即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的機(jī)理。薂二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)腿圖2 超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)框圖蒆基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀框圖如圖2所示。該系統(tǒng)由單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生40KHZ的頻率信號(hào)、超聲波傳感器、接收處理電路和顯示電路等構(gòu)成。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，它協(xié)調(diào)和控制各部分電路的工作。工作過程：開

3、機(jī)，單片機(jī)復(fù)位，然后控制程序使單片機(jī)輸出載波為40kHz的10個(gè)脈沖信號(hào)加到超聲波傳感器上，使超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)超聲波脈沖群發(fā)射結(jié)束后，單片機(jī)片內(nèi)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),在檢測(cè)到第一個(gè)回波脈沖的瞬間,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這樣就得到了從發(fā)射到接收的時(shí)間差t;根據(jù)公式、計(jì)算出被測(cè)距離,由顯示裝置顯示出來。下面分別介紹各部分電路：蒞1 、超聲波發(fā)射電路螀超聲波發(fā)射電路如圖3所示，89C51通過外部引腳P1.0 輸出脈沖寬度為250s , 40kHz的10個(gè)脈沖串通過超聲波驅(qū)動(dòng)電路以推挽方式加到超聲波傳感器而發(fā)射出超聲波。由于超聲波的傳播距離與它的振幅成正比,為了使測(cè)距范圍足夠遠(yuǎn),可對(duì)振蕩信號(hào)進(jìn)行功

4、率放大后再加在超聲波傳感器上。薈圖3中T為超聲波傳感器，是超聲波測(cè)距系統(tǒng)中的重要器件。利用逆壓電效應(yīng)將加在其上的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲機(jī)械波向外輻射; 利用壓電效應(yīng)可以將作用在它上面的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào), 從而起到能量轉(zhuǎn)換的作用。市售的超聲波傳感器有專用型和兼用型,專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波。兼用型就是收發(fā)一體, 只一個(gè)傳感器頭, 具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用, 稱為可逆元件。芆圖3 超聲波發(fā)射電路膂超聲傳感器結(jié)構(gòu)肅超聲波發(fā)生器T是一個(gè)超聲頻電子振蕩器, 當(dāng)把振蕩器產(chǎn)生的超聲頻電壓加到超聲換能器的壓電陶瓷上時(shí), 壓電陶瓷組件就在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生縱向振動(dòng)。壓電組件在超聲

5、振蕩時(shí), 仿佛是一個(gè)小活塞, 其振幅很小, 約為(1 10. 2) Lm,但這種振動(dòng)加速度很大, 約(10 103 ) g n , 于是把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能量, 這種巨大的超聲波能量, 沿著特定方向傳播出來。其關(guān)鍵技術(shù)是使超聲波波束變細(xì), 除待測(cè)物外不受其它構(gòu)造物的影響。超聲傳感器是產(chǎn)生超聲波必需的能量轉(zhuǎn)換裝置, 它把超聲電磁振蕩的能量轉(zhuǎn)換為聲波。.通過上述超聲換能結(jié)構(gòu), 配以適當(dāng)?shù)氖瞻l(fā)電路, 可以使超聲能量的定向傳輸, 并按預(yù)期接收反射波,實(shí)現(xiàn)超聲遙控、測(cè)距、防盜等檢測(cè)功能 。 羇2、超聲波接收電路羆超聲波接收及信號(hào)處理電路是此系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的一個(gè)難點(diǎn)。超聲波接收器接收反射的超聲波轉(zhuǎn)換

6、為40KHz毫伏級(jí)的電壓信號(hào),需要經(jīng)過放大、處理、用于觸發(fā)單片機(jī)中斷INT0。一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲂盘?hào)微弱，同時(shí)根據(jù)反射條件不同信號(hào)大小變化較大,需要放大倍數(shù)大約為100到5000倍,另一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲎杩馆^大,這就需要高輸入阻抗的多級(jí)放大電路,這就會(huì)引入兩個(gè)問題:高輸入阻抗容易接收干擾信號(hào),同時(shí)多級(jí)放大電路容易自激振蕩。參考各種資料最后選用了SONY公司的專用集成前置放大器CX20106達(dá)到了比較好的效果。膄CX20106由:前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路組成。其中的前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)放大器有較高的增

7、益,在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過載。其帶通濾波器中心頻率可由芯片腳5的外接電阻調(diào)節(jié)。其主要指標(biāo):單電源5V供電，電壓增益77 - 79DB , 輸入阻抗27 K , 濾波器中心頻率30 K- 60 KHz。功能可描述為: 在接收到與濾波器中心頻率相符的信號(hào)時(shí),其輸出腳7腳輸出低電平。芯片中的帶通濾波器、積分器等使得它抗干擾能力很強(qiáng)。膁CX20106采用8腳單列直插式塑料封裝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4。超聲波接收器能將接受到的發(fā)射電路所發(fā)射的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)十伏至數(shù)百伏的電信號(hào)，送到CX20106的腳，CX20106的總放大增益約為80dB，以確保其腳輸出的控制脈沖序列信號(hào)幅度在3.55V 范內(nèi)

8、?？傇鲆娲笮∮赡_外接的R1、C1決定，R1越小或C1越大，增益越高。C1取值過大時(shí)將造成頻率響應(yīng)變差，通常取為1uf。C2為檢波電容，一般取3.3uf。CX20106 采用峰值檢波方式，當(dāng)C2容量較大時(shí)將變成平均值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度會(huì)變低，C2較小時(shí)雖然仍為峰值檢波，且瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度很高，但檢波輸出脈沖寬度會(huì)發(fā)生較大變動(dòng)，容易造成解調(diào)出錯(cuò)而產(chǎn)生誤操作。R2為帶通濾波器中心頻率f0的外部電阻，改變R2阻值，可改變載波信號(hào)的接受頻率，當(dāng)f0偏離載波頻率時(shí)，放大增益會(huì)顯著下降，C3為積分電容，一般取330pf，取值過大，雖然可使抗干擾能力增強(qiáng)，但也會(huì)使輸出編碼脈沖的低電平持續(xù)時(shí)間增長，造成遙控距離

9、變短。腳為輸出端，CX20106 處理后的脈沖信號(hào)由腳輸出給單片機(jī)處理從而獲得顯示輸出。蟻圖4 CX20106內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖螇本系統(tǒng)中應(yīng)用的接收電路見圖5 , 當(dāng)89C51的P1.7為高電平時(shí)三級(jí)管V1導(dǎo)通，+5V電源通過繼電器線圈和V1的發(fā)射結(jié)到地，使繼電器K1接通，R2和R3并聯(lián)組成5電阻通過C1組成RC電路，控制紅外接收專用集成電路CX20106的增益，使其7腳輸出一定幅度的電壓信號(hào)到89C51的P0.2口以觸發(fā)中斷。另外該芯片價(jià)格在三到五元,非常節(jié)省系統(tǒng)成本。芅圖5超聲波接收電路莀3、距離顯示電路膀圖6 顯示電路蕆超聲波顯示電路如圖6所示。是利用單片機(jī)的串行輸出。只用單片機(jī)的TXD，RX

10、D端即可顯示數(shù)字。肂三、軟件程序設(shè)計(jì)螞本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、發(fā)射子程序、接收子程序、定時(shí)子程序、顯示子程序等模塊組成，圖8為程序流程圖。該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當(dāng)按下測(cè)量鍵時(shí)，主程序開始調(diào)用發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時(shí)子程序，并把測(cè)量結(jié)果用顯示子程序在數(shù)碼顯示器上顯示出來。薀 圖8 軟件程序框圖羋定時(shí)器中斷子程序蚈 外部中斷服務(wù)子程序蒞四、具體程序薃#include<reg51.h>薂 #include<math.h>螀 /*定義數(shù)據(jù)類型*/螇 #define uint unsigned int羃 #define uchar unsigned

11、char芃 /*定義系統(tǒng)常數(shù)*/薇 long int time; /* 時(shí)間 */裊 bit CLflag; /* 測(cè)量標(biāo)志 */蒂 char cshu; /* 串?dāng)?shù) */蝿 #define T12us (256-12) /*定時(shí)器設(shè)初值 T=（256-T12us）*12/12MHZ */薈 /*定義功能位,串口用于顯示 */羄 sbit VOLCK=P1.0; /* 發(fā)射 */袁sbit MING=P3.2; /* 外部中斷0檢測(cè)接收信號(hào) */蕿 char idata disp9; /* 顯示數(shù)據(jù) */蝕 char idata number9; /* 顯示數(shù)據(jù) */莆 char code t

12、able =0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09;薅 /* 碼表 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 */芀 void dispfb() /* 顯示5位數(shù)據(jù) */蕆 char i;蒄 for(i=0;i<5;i+) 羄 dispi=tablenumberi; 肀 disp3=disp3+1; /* 置小數(shù)點(diǎn) */薈 for(i=0;i<6;i+) 袇 SBUF=dispi; while(TI=0); TI=0; 莄 螁/* 通用延時(shí)子程序 */薀 void delay( int j )羅 int i; for(i=0

13、;i<j;) i+; 袃/* 初始化定時(shí)器,CTC0、CTC1用于定時(shí) */蒁 void init_CTC(void )莇 莈 TMOD = 0x21; /* 設(shè)CTC1工作于模式2 */節(jié) ET0 = 0; /* 不允許CTC0中斷 */芁 蒈 void init_INT( ) /* 外部中斷初始化為高優(yōu)先級(jí)，并開中斷 */蒆 螞 IP=0x01; /* 置外部中斷INT0優(yōu)先級(jí)為高 */羂 TCON=0; /* 設(shè)置外部中斷0的中斷方式為電平觸發(fā) */蒀 薄 void serve_INT0( ) interrupt 0蒞 螂 /* 外部中斷0，用于檢測(cè)接收信號(hào) */芇 TR0=0;

14、/* 關(guān)閉定時(shí)器0 */羇 EX0=0; /* 關(guān)中斷 */螄 time=(long)TL0;蒂 time+=(long)TH0*256;荿 CLflag=1;肅 芄 /* CTC1中斷服務(wù)程序，12.5us 中斷一次,用于發(fā)射 */罿 void CTC1_INT ( ) interrupt 3蒀 蕆 VOLCK=VOLCK;蚃 cshu+;蠆 膇void CTC0_INT ( ) interrupt 1薆 肅 TR0=0;蒀 ET0=0;艿 蚄void Timetojuli( ) /* 將測(cè)量的時(shí)間轉(zhuǎn)換為距離 */蒂 膀 long i;莀 i=(long)time;肇 i=i*340;羈 i

15、=i/2;羀 number4=i/10000000; /* 十米 */膇 i=i-number4*10000000;膅 number3=i/1000000; /* 米 */蚅 i=i-number3*1000000;蟻 number2=i/100000; /* 分米 */腿 i=i-number2*100000;薇 number1=i/10000; /* 厘米 */肄 i=i-(long)number1*10000;蒁 number0=i/1000; /* 毫米 */羆 蚆uchar getkey( ); /* 讀鍵盤 */蒃 /*主程序*/膁 void main()肈 螄 int i, ke

16、y;袃 init_CTC( ); /* 初始化定時(shí)器 */袂 init_INT( ); /* 初始化外部中斷 */聿 CLflag=1; /* 測(cè)量標(biāo)志 */膆 for(i=6;i>4;i-) dispi=0xff;莂 cshu=0; /* 傳數(shù) */螞 delay(200); /*延時(shí)*/;袆 IE=0x80; /* 開中斷 */芅 ET1=0; ET0=0;螂 TR1=0; TR0=0;莃 TL1=T12us; TH1=T12us;羈 while(1)薇 蒅 key=getkey( ); /* 讀鍵盤 */衿 if(key=0x0fe && CLflag=1 ) /*

17、 測(cè)量 */罿 螆 key=0; CLflag=0;襖 cshu=0;蠆 TL1=T12us; TH1=T12us;螆 TL0 = 0; TH0 = 0; /* 定時(shí)器0的初始時(shí)間 */襖 TR0=1; /* 啟動(dòng)定時(shí)器0，開始記時(shí) */芄 TR1=1; /* 啟動(dòng)定時(shí)器1，發(fā)送信號(hào) */莀 ET1=1;袈 while(cshu<12) ;膆 ET1=0; /* 發(fā)十個(gè)脈沖串 */螃 TR1=0;肀 delay(95);罿 EX0=1;蒞 while(!CLflag); 膂 if( cshu>=10 && CLflag=1)袀 Timetojuli( );螇 dis

18、pfb();蚇 薂 薁 螈螅uchar getkey( )芅 莁 char flag;衿 uchar key, keytemp;羄 flag=0;螅 keytemp=P1;肂 if(keytemp=0xff) return(255);蚇 else 芆 flag=1;膄 delay(100);袂 key=P1;蚈 if(key=keytemp) return(key);蒞 else return(255);薃 薂 螀五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析螇表2是利用本文的測(cè)距儀進(jìn)行實(shí)際測(cè)量的結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可見, 在20150cm 范圍內(nèi)誤差相對(duì)較??；小于20cm 范圍內(nèi)誤差較大，這是因?yàn)槌暡ň嚯x測(cè)量存在一定范圍的盲區(qū),盲區(qū)的出現(xiàn)是因?yàn)榘l(fā)出信號(hào)必須有一個(gè)上升時(shí)間, 當(dāng)距離太近時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已不能處理迅速返回的反射波信號(hào), 所以距離小于0.2米測(cè)量誤差明顯增加。羃300cm以后的數(shù)據(jù)誤差明顯增大, 這是由于發(fā)射功率不夠大, 接收到的信號(hào)很微弱, 引入了一些干擾因素。但電路引入溫度補(bǔ)償電路后總的實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在厘米級(jí),基本上可以滿足測(cè)量要求。芃實(shí)際距離/cm薇20.030.040.050.060.070.0