超声波测距系统

超声波测距系统（精选11篇）

超声波测距系统 第1篇

1 超声波测距的基本原理

超声波测距是通过超声波发射探头不断发送超声波, 并检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波, 从而测出发射和接收回波的时间差T, 然后求出距离S=CT/2, 式中的C为超声波波速。为了能测量汽车四周不同位置障碍物的距离, 我们可以在汽车周身安装传感器排组。经大量实验验证频率为40KHZ左右的超声波在空气中传播的效率最佳, 因此, 为了便于处理, 发射的超声波被调制成40KHZ左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号。

2 超声波倒车辅助装置系统的介绍

本装置根据超声波测距原理研制, 由超声发射电路、超声接收电路、放大电路、锁相鉴频电路和显示报警电路组成, 采用单片机控制技术进行处理。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送, 然后单片机不停的检测INT0引脚, 当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间, 通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。将测得的数据进行处理通过数码管显示, 并进行声光报警。由于倒车时汽车的行驶速度较慢, 和声速相比可以认为汽车是静止的, 因此在系统中可以忽略多普勒效应的影响 (图2) 。

3 系统硬件设计

3.1 超声波发射电路的设计

超声发射电路主要由脉冲调制信号产生电路, 隔离电路以及驱动电路组成。脉冲调制信号产生电路中通过单片机对555定时器的复位端的控制, 使555定时器分时工作从而生产生脉冲频率为40KHz, 周期为30ms的脉冲调制信号电路设计如下图所示, 40kzh的超声波的振荡频率计算式为f=1.43 ( (R1+2·R·4) ·C6) 。将R4设计为可调电阻方便调节信号频率, 使之与换能器的40kHz固有频率一致。为保证555时基具有足够的驱动能力, 宜采用+15V电源, 从而保证超声波能够发送较远的距离, 提高了测量量程。

3.2 超声波接收电路

超声波接收电路使用超声波接收传感器MA40EIR, 其接收信号一般在1mV～1V之间, MA40EIR的输出由放大器放大。图3为运算放大器组成的超声波接收电路, 一个运放的电路的增益最好在100倍以下, 若要求更高的增益, 要再增加一级放大电路。所以本接收电路采用了两级放大。两级放大之间的连接用电容。采用两级放大能很好的达到这个效果。

3.3 声光报警电路的设计

我们选取M3720芯片来进行声光电路设计。M3720是单声一闪灯报警集成电路芯片内存储一种报警音效, 可直接驱动蜂鸣器发声或经外接功放三极管.推动扬声器放音, 同时还能驱动一只LED闪烁。该芯片各引脚功能为:5脚VDD;1脚VSS分别为电源输入端与负端, VDD电压3～3.5V;8脚X和7脚Y分别为芯片外接振荡电阻器;6脚TG为触发控制端, 低电平触发有效;3脚BZ和2脚BB分别为报警音效输出端, 可直接外接压电陶瓷蜂鸣器, 如果驱动扬声器则由3脚BZ端引出;4脚L为闪灯输出端, 可直接驱动LE D发光。

4 系统软件设计

本系统以单片机为核心, 采用汇编语言编程, 使用了VU2Keil软件进行设计。软件设计包括三个部分:主程序, 定时中断程序和外部中断程序, 其流程图如图3。

5 结语

超声波测距总结 第2篇

超声波传感器用于超声控制元件，它分为发射器和接收器。发射器将电磁振荡转换为超声波向空气发射，接收器将接受的超声波进行声电转换变为电脉冲信号。实质上是一种可逆的换能器，即将电振荡的能量转换为机械振荡，形成超声波；或者有超声波能量转换为电振荡。常用的传感器有T40-XX和R40-XX系列，UCM-40T和UCM-40R系列等；其中T代表发射传感器，R代表接收传感器，40为中心频率40KHZ。

超声波的传播速度

纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性常数以及介质的密度。

1.液体中的纵波声速：

C1=

k/

2.气体中的纵波声速：

C2=

P·/

式中：K——体积弹性模量

——热熔比

P——静态压力

——密度

注：气体中声速主要受温度影响，液体中声速主要受密度影响，固体中声速主要受弹性模量影响；一般超声波在固体中传播速度最快，液体次之，气体中传播速度最慢。超声波测距原理

通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即: S = v·△t /2

这就是所谓的时间差测距法 或：

由于超声波也是一种声波, 其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大, 则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0.6 米/ 秒。如果测距精度要求很高, 则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为：

V = 331.45 + 0.607T

声速确定后, 只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。

超声波发生器可以分为两类：

1、使用电气方式产生超声波；

2、用机械方式产生超声波。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、功率和声波特性各有不同，因而用途也各有不同。目前较为常用的是压电式超声波发生器，其又可分为两类：（1）顺压电效应：某些电介物质，在沿一定方向上受到外力作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷；当外力去掉后，又从新回到不带电的状态，这种将机械能转换为电能的现象称顺压电效应（超声波接收器的工作原理）。（2）逆压电效应：在电介质的极化方向上施加电场，会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种将电能转化为机械能的现象称逆压电效应（超声波发射器的工作原理）。

系统框图

超声波发射电路 方案一

利用555定时器构成多谢振荡器产生40KHz的超声波。如下图为555定时器构成的多谢振荡器，复位端4由单片机的P0.4口控制，当单片机给低电平时，电路停振；当单片机给高电平时电路起振。接通电源后，电容C2来不及充电，6脚电压Uc=0，则U1=1,555芯片内部的三极管VT处于截止状态。这时Vcc经过R3和R2向C2充电，当充至Uc=2/3Vcc时，输出翻转U1=0，VT导通；这时电容C2经R2和VT放电，当降至Uc=1/3Vcc时，输出翻转U1=1.C2放电终止、又从新开始充电，周而复始，形成振荡。其振荡周期t1和放电时间t2有关，振荡周期为:

T=t1+t20.7(R3+2R2)C2

f=1/T=1/(t1+t2)1.43/(R3+2R2)C2=40KHz 有上面公式可知，555多谐振荡器的振荡频率由R2，R3，C2来确定。所以在电路设计时，先确定C2,R2的取值，即C2=3300pf,R2=2.7K。再将R2和C2的值代入上式中可得：

R3=1.43/C2·f-2R2 为了方面在实验中使用555芯片的3脚输出40KHz的方波，在这里将其用10K的电位器代替。

为了增大U1的输出功率，将555芯片的8脚接+12v的电压，同时将其复位端4脚接高电平，使用示波器观察555芯片3脚的输出波形，通过调节电位器R3的阻值，使其输出波形的频率为40KHz。

方案二

该超声波发射电路，由F1至F3三门振荡器在F3的输出为40KHz方波，工作频率主要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。F3的输出激励换能器T40-16的一端和反相器F4输出激励换能器T40-16（反馈耦合元件）的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。电容C2、C3平衡F3和F4的输出使波形稳定。电路中的反相器用CC4069六反相器中的四个反相器剩余两个不用（输入端应接地）。电源用9V叠层电池；测量F3输出频率应为40KHz,否则应调节RP，发射波信号大于8m。

方案三

该超声波发射电路由VT1、VT2组成正反馈振荡器。电路的振荡频率决定于反馈元件的T40-16，其谐振频率为40KHz；频率稳定性好，不需做任何调整，并由T40-16作为换能器发出40KHz的超声波信号；电感L1与电容C2调谐在40KHz起作谐振作用。本电路电压较宽（3v至12v），且频率不变。电感采用固定式，电感量5.1mH，整工作电流约25mA，发射超声波信号大于8m。

方案四

该发射电路主要有四与非门电路CC4011完成谐振及驱动电路功能，通过超声波换能器T40-16辐射出超声波去控制接收器。其中门YF1和门YF2组成可控振荡器，当S按下时，振荡器起振，调整RP改变振荡器频率为40KHz；振荡信号分别控制由YF3、YF4组成的差相驱动器工作，当YF3输出高电平时，YF4输出低电平，当YF3输出低电时，YF4输出高电平。此电平控制T40-16换能器发出40KHz超声波。电路中YF1至YF4采用高速CMOS电路74HCOO四与门电路，该电路特点是输出驱动电流大（大于15mA），效率高等；电路工作电压9V，工作电流大于35mA，发射超声信号大于10m。

方案五

本电路采用LM386对输出信号进行功率放大，LM386多用于音频放大，而在本电路中用于超声波发射。如图所示，LM386第1脚和第8脚之间串接的E1和R1，使电路获得较大的增益；TO为单片机输入口的脉冲信号，经功率放大后由5脚输出，驱动探头发射超声波。

超声波接收器模块 方案一

超声波接收传感器通过压电转换的原理，将由障碍物返回的回波信号转换为电信号，由于该信号幅度较小（几到几十毫伏），因此须有低噪声放大、40kHz带通滤波电路将回波信号放大到一定幅度，使得干扰成分较小，其电路如下所示。在此电路中，为了防止在超声波接收器上始终加有一直流信号让其工作导致传感器的寿命缩短，从而加上一隔直电容C4,从而C4和R5构成滤波电路。

在电路中，放大部分采用的是高速型运放TL084。综合考虑了反相放大器、同相放大器和测量放大器的优缺点后，最终选择了同相放大电路。因为同相放大器的理想输入阻抗为无穷大，理想输出阻抗为零，其带负载能力较强等因素。在此电路中，根据同相放大器的闭环增益公式：Af=1+Rf/Rr 由于接收到的信号幅度为几到几十毫伏，所以需要将其放大400多倍使得其接收到的40KHz信号不会被干扰信号给掩盖。为了防止引起运算放大器的自激振荡，在第一级的放大电路中，R7取值为470 K,R8取值为10K，其增益放大： Af1=1+R7/R8=48 在第二级放大电路中，R11的取值为100K，R12的取值为10K，其放大增益： Af2=1+R11/R12=11 两级增益为：Af=Af1·Af2=528 同相放大器的平衡电阻R6和R10的取值均为10K。平衡电阻公式为：

Rp=Rf/(Rf+Rr)C5和R9构成了一阶滤波电路。

方案二

该电路主要有集成电路CX20106A和超声波换能器TCT40-10SI构成。利用CX20106A做接收电路载波频率为38KHz；通过适当的改变C7的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

工作原理：当超声波接收探头接收到超声波信号时，压迫压电晶体做振动，将机械能转化成电信号，由红外线检波接收集成芯片CX20106A接收到电信号后，对所接信号进行识别，若频率在38KHz至40KHz左右，则输出为低电平，否则输出为高电平。

方案三

双稳式超声波接收电路

电路中，由VT5、VT6及相关辅助元件构成双稳态电路，当VT4每导通一次（发射机工作一次），触发信号C7、C8向双稳电路送进一个触发脉冲，VT5、VT6状态翻转一次，当VT6从截止状态转变成导通状态时，VT5截止，VT7导通，继电器K吸合•••调试时，在a点与+6V（电源）之间用导快速短路一下后松开，继电器应吸合(或释放)，再短路一下松开，继电器应释放（或吸合），如果继电器无反应，请检查双稳电路元件焊接质量和元件 参数。

方案四

单稳式超声波接收电路

本电路超声波换能器R40-16谐振频率为40kHZ，经R40-16选频后，将40kHZ的有用信号（发射机信号）送入VT1至VT3组成的高通放大器放大，经C5、VD1检出直流分量，控制VT4和VT5组成的电子开关带动继电器K工作。由于该电路仅作单路信号放大，当发射机每发射一次超声波信号时接收机的继电器吸合一次（吸合时间同发射机发射信号时间相同），无记忆保持功能。可用作无线遥控摄像机快门控制、儿童玩具控制、窗帘控制等。电路中VT1β≥200，VT2≥150，其他元件自定。本电路不需要调试即可工作。如果灵敏度和抗干扰不够，可检查三极管的β值与电容C4的容量是否偏差太大。经检测，配合相应的发射机，遥控距离可达8m以上，在室内因墙壁反射，故没有方向性。电路工作电压3V，静态电流小于10mA。

方案五

在本接收电路中，结型场效应VT1构成高速入阻抗放大器，能够很快地与超声波接收器件B相匹配，可获得较高接收灵敏度及选频特性。VT1采用自给偏压方式，改变R3的阻值即可改变VT1的工作点，超声波接收器件B将接收到的超声波转换为相应的电信号，经VT1和VT2两极放大后，再经VD1和VD2进行半波整流为直流信号，由C3积分后作用于VT3的基极，使VT3由截止变为导通，其集电极输出负脉冲，触发器JK触发D，使其翻转。JK触发器Q端的电平直接驱动继电器K，使K吸合或释放；由继电器K的触点控制电路的开关。

盲区形成的原因及处理

1、探头的余震及方向角。发射头工作完后还会继续震一会，这是物理效应，也就是余震。余震波会通过壳体和周围的空气，直接到达接收头、干扰了检测；通常的测距设计里，发射头和接收头的距离很近，在这么短的距离里超声波的检测角度是很大的，可达180度。

2、壳体的余震。就像敲钟一样，能量仍来自发射头。发射结束后，壳体的余震会直接传导到接收头，这个时间很短，但已形成了干扰。（注：不同的环境、温度对壳体的硬度和外形会有所变化，导致余震时间会略有改变）

3、电路串扰。超声波发射时的瞬间电流很大，瞬间这么大的电流会对电源有一定影响，并干扰接收电路。通常这三种情况情况在每次超声波发射时都会出现，即超声波在发射的时候,是一个高压脉冲,并且脉冲结束后,换能器会有一个比较长时间的余震,这些信号根据不同的换能器时间会有不同,从几百个uS到几个mS都有可能,因此在这个时间段内,声波的回波信号是没有办法跟发射信号区分的.因此,被测物体在这个范围内,回波和发射波区分不开,也就无法测距,从而形成了盲区.。

在硬件方面通常将超声波转换器之间的距离适当增大来减少盲区的范围；如果发射探头和接收探头分开，收发不互相影响，必须要求发射电路和接收电路的地线隔离很好，发射信号不会通过地线串扰过去，否则也是不能减小盲区的。

浅谈超声波测距仪设计 第3篇

关键词：超声波；测距；AT89S52

1超声波测距原理

基于AT89S52单片机的超声波测距仪系统框图如图1-1所示,超声波测距原理，即超声波发生器T在某一时刻发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收。

图1-1基于AT89S52单片机的超声波测距仪系统框图

这样只要计算出发出信号到接收返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。

距离计算公式：

d=s/2=（c×t）/2

d为被测物与测距仪的距离

s为声波的来回路程

c为声速

t为声波来回所用时间

超声波是指频率高于20kHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波，完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头，超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波，而在收回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

超声波测距的原理一般一般采用渡越时间法TOF（time off light）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，测量距离的方法有很多种，短距离的可以泳尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量，因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45m/s。单片机使用12MHz晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。

2硬件部分

2.1 AT89S52单片机的性能和特点

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得 AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8位微控制器8K字节在系统可编程Flash AT89S52 P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号第二功能

P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5 MOSI（在系统编程用）

P1.6 MISO（在系统编程用）

P1.7 SCK（在系统编程用）

P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

端口引脚第二功能

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 INTO（外中断0）

P3.3 INT1（外中断1）

P3.4 TO（定时/计数器0）

P3.5 T1（定时/计数器1）

P3.6 WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 RD（外部数据存储器读选通）

此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。

RST———复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。

ALE/PROG———当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN———程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP———外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。

FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

使用protel绘制出来的单片机最小系统的原理图截图，如图2-1

2.2超声波发射电路

压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。内部结构上图所示，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，这时它就是一超声波发生器;如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，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，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射采用推挽形式将P1. 0端口发出的方波信号加到超声波换能器两端以提高超声波发射的强度。发射电路主要由74LS04和超声波换能器构成，用单片机P1.0端口输出40KHz方波信号一路经一级反向后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向后送到超声波换能器的另一个电极

3结论：

本系统采用单片机AT89S52做主控制器，可靠性好，抗干扰和电磁兼容性强，内部资源较丰富，软件的工作量大大降低，编程更加方便，灵活。

该设计充分利用了单片机低成本、高精度、微型化的优点设计出了一种使用超声波测距离仪。不过该系统中发射超声波后需要一段延时时间才能开始接受回波信号，而且其他电路传输信号也需要一定时间，因此测的距离有一定误差，该系统适合精度要求不高的测距要求。

参考文献

[1]苏长赞，邹殿贵，红外线与超声波遥控[M].北京：人民邮电出版社，2001.

[2]石峰，超声波测距传感器的研究[M].浙江工商职业技术学院学报，2002.

[3]李广弟,单片机基础[M].北京航空航天大学出版社，2001.

复卷机超声波测距系统的设计 第4篇

1 超声波的工作原理

超声波是一种频率大于20kHz的机械波,可以在除真空以外的任何介质中传播。传播过程中,具有定向性好、能量集中、衰减小及反射能力强等特点。超声波发生器从整体上来讲可以分为两类,一类是用电气方式产生超声波,包括压电式、磁致伸缩式和电动型;一类是用机械方式产生超声波,包括加尔统笛、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[1]。复卷机超声波测距系统选用的是压电式超声波发生器。压电式超声波传感器是利用压电晶体的谐振原理工作的,是一种可逆的换能器件,既能把电振荡的能量转换为机械振荡形成的超声波,又可以把接收到的超声波能量转换为电振荡,如图1所示是传感器的基本工作方式。(1)

超声波传感器内部通过激励换能器处理以后,将其转换成机械振动能,由此形成超声波,并通过传感器的辐射口将超声波信号向外发射。同时发射出去的超声波信号在遇到障碍物以后,立即被反射回来。接收机接收后通过内部转换,将超声波信号变为电振荡信号,并将信号放大。在温度一定的情况下,超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以算出发射点距离障碍物的距离S=340t/2。在接收和发射的超声波系统中,发射传感器的共振频率与接收传感器的反共振频率是相互匹配的。复卷机超声波测距系统,就是通过超声波传感器获得所需的控制信号,利用该信号控制压纸辊的压力输出。

2 复卷机超声波测距系统的工作原理

复卷机超声波测距系统在处理成品纸卷紧度问题上主要是研究液压系统压力与直径变化的关系(图2)。卷曲过程中成品纸卷的直径逐渐增大,纸卷自重逐渐增加,成品纸卷与两底辊的接触点发生变化。若压纸辊压力恒定,则成品纸卷与前、后底辊间的压力在变。要得到理想的纸卷形态,必须使成品纸卷与前、后底辊接触点的压力恒定,故要求液压系统所释放的压力变化[2]。

压力控制的要点:

a.保压控制。液压系统的压力随纸卷直径的增加而增大,该部分需要施加多大的压力可通过直径计算。

b.恒压控制。当压纸辊自重与液压系统的压力平衡时,成品纸卷不受压力,液压系统处于恒压状态。

通过对压纸辊进行压力分析得到压力与直径的关系式:

压纸辊液压系统释放的压力为:

式中B———纸卷宽度,m;

D———纸卷直径(复卷中逐渐增大),m;

d———底辊直径,m;

F———压纸辊液压系统释放的压力,N;

F1———成品纸卷与底辊接触点之间的压力,N;

G1———成品纸卷的自重(复卷中逐渐增大),N;

G2———压纸辊自重,N;

O1O2———两底辊中心矩,m;

p———压纸辊应施加的压力,N;

γ———纸的比重N/m2;

α———垂直线与纸卷、支承辊的连线之间的夹角,(°)。

式(1)～(4)的计算结果见表1。

由表1可知,当成品纸卷直径达到0.6m以上时,压纸辊应施加的压力为负值,表明已经不需要压纸辊,可将压纸辊完全抬起。

3 复卷机测距系统的组成

该系统采用了液压式机构来实现压纸辊压力控制,其控制结构如图3所示。它包括超声波卷径传感器、PLC、电子放大器、电液比例阀和液压缸。其中液压缸和压纸辊直接相连,这种结构既可以施加悬称力,又可以施加下压力,压力控制为开环。

PLC根据设定的压力曲线以及测得的成品纸卷当前直径输出一个压力控制信号,电液比例阀的输出油压和这个压力给定信号成正比例,从而控制了液压缸的悬称力大小[3]。

在实际应用中,读取模拟量电位器的电压值(随着纸卷直径的变化电位器会呈现不同的电压)。根据复卷机的结构,在压纸辊最低处即成品纸卷直径仅为纸芯直径时记录一个电压值,在成品纸卷达到最大直径时记录一个电压值,并进行计算。把检测数据与实际数据进行对比,缩小其差距,并使用校正系数对检测数据进行修正,如图4所示模式设定。将实时监测到的直径与设定直径曲线进行比较,调节PI参数。实时根据公式修正压力及转矩,使监测到的直径与设定直径相符时即达到实时检测紧度、实时修正进度的目的,使纸卷处于理想的形态。该方法已经在具体的项目中实施过,偏差不超过0.1%[4]。

4 抗干扰

由于超声波传感器的工作现场周围存在着电网电压波动和周围空间的高频干扰等大量的干扰因素,这些干扰导致仪器工作不正常,输出失真,难以测量出正确的数值。解决这些干扰问题要从分析干扰的来源和传播途径入手。

4.1 干扰来源

来自电源的干扰。供给仪器使用的电源直接引至电网,电网发生变化,如开关操作浪涌、各种整流设备、变频器引起的谐波、电网短路暂态冲击等,都可通过输电线路传至超声仪器使用的电源处。

来自信号线的干扰。与仪器连接的各类传输回路中有感应元件,信号线上存在噪声干扰;信号早传输过程中由于绝缘性能不好,没有采取有效地屏蔽、接地措施,信号传输就会受到干扰。

来自接地线混乱的干扰。仪器接地、设备接地、系统接地、保护接地混乱,各个接地点电位分布不均,不同接地点间存在电位差,引起地环路电流,影响系统正常干扰。

4.2 抗干扰措施

变频器在运行时会产生高次谐波,造成电压波形畸变,严重影响附近的仪电设备动作。屏蔽干扰源是抗干扰最有效的方法,具体做法有:

a.在变频器进线侧安装进线电抗器及进线滤波器,抑制干扰信号对电源的干扰;

b.信号线全部采用屏蔽线,屏蔽层可靠接地,布线时尽量远离变频器的进、出线;

c.电机电缆也采用屏蔽电缆,屏蔽层可靠接地。

原匀速的电机控制采用交流接触器控制,接触器线圈断、合瞬间产生电磁干扰。针对这种情况,可将交流接触器改换成无噪声固态接触器,其控制电源改用24V直流稳压电源[5]。

5 结束语

复卷机作为造纸工艺的最后一道工序,复卷机成品纸卷的松紧程度、切割断面的好坏是衡量纸品好坏的一个关键因素,因此是复卷机控制的关键。经过上述的分析,最重要的是控制成品纸卷的直径增长规律变化,保持成品纸卷与前后底辊接触点之间的压力恒定,从而达到控制的要求。

摘要：设计的复卷机超声波测距系统利用了超声波传感器在测距系统中的显著表现,实时、准确的测量了成品纸卷的直径,以此直径输出值为根据,通过释放压纸辊压力负荷来补偿因纸卷重量变化和纸卷与前后底辊接触点变化所带来的压力波动,最终保持成品纸卷与前后底辊之间的压力恒定,使得造纸工艺的自动化程度得到了进一步提高。

关键词：复卷机,紧度控制,超声波传感器

参考文献

[1]黄继昌.传感器工作原理及应用实例[M].北京:人民邮电出版社,1998.

[2]郭艳萍.复卷机恒张力与负荷分配控制设计及应用[D].天津:天津大学,2005.

[3]谢仕宏,孟彦京,张金平.比例减压阀在高速复卷机中的应用分析[J].中国造纸,2004,23(6),39~40.

[4]孟彦京.造纸机变频传动原理与设计[M].西安:陕西人民出版社,2002.

超声波测距仪-实习总结 第5篇

2010-2011学年第一学期，08级电气工程及其自动化专业电子实习与09级电气工程及其自动化专业数字电子技术课程设计，所采用的题目均是“超声波无线测距仪设计”。该题目是贯彻机电系教学改革精神，根据实践教学要求，新近设计研发的实习内容。经过两周的实习过程，对于其中一些进步的方面与发现的问题进行总结，以便为接下来的教改工作提供有价值的参考。

对于此次设计过程，一些收获令人满意：

第一，从教师团队的角度来说，是一次比较成功的锻炼机会。无论对于设计研发的老师，还是对参与实习指导的老师，都从中得到了全方面的提高。相对于原先的教学套件，本设计从理论基础，到软硬件设计，老师们都能够做到深刻理解，熟练掌握。因此在实习过程中，指导的针对性相较以往，有了明显的进步。学生反响较好。同时，在实习结束时进行答辩，有效的提高了教师对于学生掌握实践效果的认识，能够更好的指导下一步的工作。

第二，从学生角度来说，一周的时间，严格按照实习大纲安排，进行了全方面的理论学习，到元器件焊接，最后进行设计分组答辩。时间紧凑，内容充实。从实习答辩过程与实习报告的反馈来看，大家都能够做到主动思考，积极求解。尤其是对于一些成绩相对较差的学生，在实习过程中表现非常主动，令人印象深刻。尤其在答辩过程中，将固定的“老师问——学生答”方式实现反转，变成“学生问——教师答——教师问——学生答”，用答疑的方式，鼓励学生们发现问题，解决问题。这种尝试，对于实习过程总结与提高意义重大。尤其是鼓励每名同学积极主动的寻找问题，用启发式的问题促进每个人去思考问题，符合我们教学改革的目的。同时，让每名老师的身份由“考官”变为考生，也能够很好的促进教师们的学习能力，为更好的了解学生所想，打下基础。建议将此经验进行系内教研讨论。

第三，从系部角度来说，由于教学改革势在必行，因此由任课教师设计有针对性的实习内容也是大势所趋。第一步的迈出，为今后的更多更好的题目研发做了铺垫，也会促进更多的教师积极参与其中。未来的电子实习与课程设计，应该为所有学生提供丰富的题目选择，满足不同的兴趣爱好。同时，更多的实习题目，也为毕业设计提供了丰富的素材，对于一些校企合作项目，或者横向与纵向课题的研发，打下了基础。

当然，任何过程都有两面性，在两周的设计过程中，也会发现一些问题，在此进行梳理，有利于日后工作的改进：

第一，实习进度安排过紧，参与的教师与学生时间紧张。由于教学计划安排，将电子实习与课程设计，统一安排到期末时间段，难免造成时间冲突或者实验场地的争抢问题。特别对于指导教师的参与数量，会出现一名教师，同时负责多个设计或实习的情况，并且期末阶段，同样有监考，阅卷任务，因此难免顾此失彼，大大降低指导的效果。在此建议，不妨在教学计划的制定过程中，将电子实习或者课程设计推后一个学期，即在课程完成的第二个学期期中阶段，开始实践教学。优点在于一方面不造成人员或者时间冲突，另一方面也有利于加强学生们对于课程的持续性记忆。

第二，教师团队的配合需要进一步加强。由于第一次原创实习题目的设计，时间比较仓促，因此从方案制定到方案验证，最后到器件的选购，都需要一个熟悉的过程。临近实习时间，才将整个过程结束，所以耽误了参与指导的教师提前学习的机会。因此，对于今后相关的课程设计或者电子实习，建议在每个学期的期末，由设计负责人定下实习题目，并且利用假期时间进行方案整理与设计，在新学期开始，即开始进入方案的实施与操作。出现问题，也有充裕时间解决，同时也便于参与的教师有充足时间进行自主学习与讨论。

第三，设计研发费用的问题。本次课程设计的研发费用由老师先行垫付，所有参与指导的教师材料费，也一并归并到学生们的材料费当中。希望系部能够对于研发启动资金予以支持，由于设计题目相对较小，所以研发费用相对较少，但是对于参与设计的教师会有一种精神鼓励。否则，如果单纯靠教师的个人付出，可能会有一些难度。

第四，指导教师的组成问题。本次课程设计，每个班级由一名教师负责。明显感觉人手紧张，建议遵循领导意见，最多每名教师负责20名学生的指导工作。可以调动实验员的参与度，让更多实验员老师参与到指导过程，提高其工作量的同时，也增强了理论与实践结合的能力。第五，答辩方式的选择问题。本学期的答辩过程，采用的是分组答辩方式，由于准备相对仓促，学生对于相关的知识背景了解较少。在此建议，对于不同学科的实习工作，由任课老师在授课过程中，很好的结合相关设计内容进行说明，从而使同学们在实践过程中做到“熟悉——理解——掌握”。避免出现为了应付成绩，而相互敷衍的不良效果。

综上所述，只要每名教师都能够担负起主人翁意识，相信我们会有一个更加团结的队伍，整个教学过程也会更加富有成效。我们会继续努力的！

签名：

超声波测距系统 第6篇

关键词：超声波测距，RBF网络，非线行误差校正

1、引言

超声波测距具有信息处理简单、快速和价格低，易于实时控制等许多优势，它被广泛的应用在各种距离测试的设备中。但超声波传感器在实际应用中也有一定的局限性。在超声波测距中，由于超声波传感器本身的结构和受外界温度等因素的干扰，其输入输出特性呈明显的非线性，靠硬件或软件补偿修正的方法对提高其测距精度的效果不大。所以，本文提出了基于径向基函数神经网络实现超声波传感器的建模，对超声波测距进行温度补偿和非线性误差校正的方法。

2、用 RBF神经网络改善超声波测距的精度

２.１神经网络实现非线性误差校正的原理

设超声波传感器要测量的实际距离为 d，实际距离d决定t2-t1，环境温度为T，超声波传感器测量输出的结果为h，经RBF网络校正后的距离为Dr，则超声波传感器测距系统可以表示为 h=f(d，T)，由于传感器产生的非线性误差和温度的影响，使得 f(d，T)呈现非线性特性。校正的目的是根据测的 h求未知的 d，即 d＝g(h，T)，也就是需要建立超声波传感器的模型其原理可以表示为图 1所示。

超声波传感器输出 Dr通过一个补偿模型，该模型的特性函数为Dr=g(h，T) ，其中Dr为非线性补偿后的输出， g(h，T)显然是一个非线性函数。通常非线性函数的表达式很难准确求解，但可以利用神经网络能很好地逼近非线性函数的特点，通过建立神经网络模型来逼近该非线性函数。本文选取RBF神经网络模型。

２.２ RBF 神经网络

RBF网络是一种局部逼近网络。它对于每个输入输出数据对 , 只有少量的权值需要进行调整。它采用一组正交归一化的基函数 —— 径向基函数的线性组合来逼近任意函数。

常用径向基函数有高斯函数、多二次函数、薄板样条函数等。由于输入矢量直接映射到隐层空间 , RBF的中心确定后 , 这种非线性映射关系也就确定 ,因此 RBF的学习算法首先要确定径向基函数的中心 ,本文径向基函数的中心采用高斯函数（Radbas(n)=e-n2）,其隐含层的输入输出模型如图２。

对于本文的超声波传感器逆模型的RBF网络模型，输入为h和T，训练后的实际输出为Dr，期望输出为d。超声波传感器非线性校正逆模型采用RBF网络，输入层2个节点，输出层1个节点，扩展系数为0.5（实验结果表明扩展常数为 0.5 时对应隐含层神经元个数适中，故扩展常数选为 0.5），通过测量获取了50组数据集作训练样本，将输入量作归一化处理后，按照上述的RBF神经网络的学习方法学习。神经网络的训练和仿真是在Matlab 6.5环境下，通过神经网络工具箱，编制相应的程序而实现。

在matlab上应用 RBF神经网络进行仿真温度补偿和非线性误差校正后，系统的测距精度大大提高，表 1所示为未经神经网络处理和神经网络处理后的测距比较。

比较结果表明，神经网络处理后的结果与实际距离很接近，精度大大提高了。

3、结束语

实际应用中，超声波测距易受温度等多种因素的影响，利用RBF神經网络良好的非线性逼近特性、自适应能力学习能力，可优化超声波的输出特性，而且网络结构简单，便于单片机实现或固化在硬件中。仿真结果表明，利用RBF 神经网络能很好地逼近非线性函数，实现了超声波传感器建模，对传感器进行非线性误差校正，效果相当明显，大大提高了超声波测距的精度，使其测距误差控制在毫米级以内，这是采用其它校正方法是无法达到的。

参考文献：

[1]谭超，许泽宏，李维一，付小红，王健．基于小波神经网络建立虚拟仪器非线性较正型[J]．微计算机信息，2005．12（1）P157-159．

[2]田社平．基于神经网络模型的传感器非线性校正．（英文） 光学精密工程．2006

[3]Binchini M，Frasconi P，Gori M. Learning without local minima in radial basis function networks.IEEE Trans. on Neural Networks, 1995，6(3)：749～755）

[4] Xianzhong Dai， Ming Yin， Qin Wang． Artificial neural networks inversion based dynamic compensator of sensor.IEEE，2004，10：258－261

[5]许东．基于MATLAB 6.X的系统分析与设计[M]．西安电子科技大学出版社．2002

超声红外复合测距系统设计 第7篇

关键词：超声波传感器,红外传感器,复合测距,硬件设计

0 引言

近年来,移动机器人已成为高技术领域内具有代表性的战略目标,在现今的各个领域都有着越来越广泛的应用[1]。精确的测距是移动机器人实现其各种功能,完成相应任务的关键因素。测距系统不仅要性能稳定、精度高、鲁棒性高,而且要求其能在恶劣环境下进行作业,实现人机分离。目前,测距系统中广泛应用的传感器主要有视觉、红外、激光、超声波等[2]。其中,视觉传感器测距易受外界因素影响,存在目标缺失、模糊等问题,且激光和视觉传感器价格昂贵,对控制器要求较高,不利于其广泛使用。超声波传感器由于信息处理简单、距离分辨力强、实时性强和价格低廉等优点而广泛应用于各种移动机器人。但普通超声波传感器存在无法测量20cm以内的近距离测量盲区[3],且易受传播介质和反射介质的影响,波束发散严重,方向定位精度较差;红外传感器具有光束发散小,定向精度高,响应速度快等优点,可提高系统的测距和定向精度。现有的测距机器人大多以单一的传感器为主,难免存在着测距误差,而且不能实现人机分离,作业场所及范围都具有一定的局限性。

为了解决移动机器人动态测距存在的缺陷,在对超声波及红外线原理研究的基础上,结合超声波与红外线的优点,设计了一款多功能、低成本、高稳定性、重复性好,可人机分离作业的复合测距系统。它以超声波传感器为主,进行测量,同时采用红外传感器来补偿超声测量的盲区。以Mega16L单片机为控制核心,设计了发送电路、接收电路、无线传输模块以及系统设计等。采用无线通讯技术将系统测得的数据传送到PC机上,实现无线动态测距。

1 测距原理

1.1 超声波传感器测距原理

超声波传感器是利用压电效应将电能和超声波相互转化实现测距的功能,其原理如图1所示。

超声波测距原理是通过检测超声波发射后遇到障碍物反射的回波[4,5],记录从发射到接收回波这一过程所用的时间t,然后计算出障碍物的距离S,距离计算公式为:

其中,c为声波在介质中的传输速率,S为障碍物与检测装置间的距离。在空气中超声波的传输速度易受空气中的温度、湿度、压强等因素的影响,其中温度的影响最大[6]。因此,计算距离时需要进行温度补偿。在已知温度T的情况下,超声波速度计算公式:

1.2 红外传感器测距原理

红外传感器包括红外发射器件和红外接收器件。红外传感器测距的基本原理为发光管发出红外光,通过判断反射光的有无确定前方是否存在障碍物,进而确定障碍物的距离[7]。

红外光电开关是目前使用较多的一种传感器,其发射频率一般在38k Hz左右,探测距离较短。本测距系统采用的即为此种传感器。由于红外有发散性,常用红外测量障碍物,当发出信号后,碰到反射物被返射回,被测距仪接收到,由高低开关量在PC机上显示有或无,不需要复杂的处理。

2 系统总体硬件设计

超声红外复合测距的硬件系统主要由Mega16L单片机、超声波传感器、红外传感器、发送电路、接收电路、电源供电电路、无线收发电路等模块组成,布置在正前方的三个超声波和三个红外线传感器组成测距系统的测量部分,如图2所示。

系统以Mega16L单片机为控制核心,通过它来接收超声及红外传输来的数据,再利用无线传输把测量数据传到PC机,通过数据融合方法得到更加精确的数据。下位机设计的控制系统采用先进的实时操作系统,提高了系统的实时处理能力和工作可靠性。

3 硬件设计

3.1 传感器选择

超声波传感器都存在一定的测量盲区,同时超声测距还存在反射、噪声、交叉等问题。根据系统测距精度要求及传感器性能比较,采用美国Sens Comp公司的Smart Senor 600紧凑型超声波传感器。

基于红外传感器测距时存在的盲区问题,本设计中仅把红外测距作为超声测距的补充,用来补偿超声测距的盲区。所以选用的红外传感器的测距范围确定为超声波的测距盲区,约为0到0.5米。

3.2 发送电路设计

发送信号必须经过功率放大器才能驱动发送器,发送电路如图3所示,从ATmega16L单片机输出的信号经过缓冲器F和功率放大器(VT1、VT2)驱动发送器。VT1采用小功率晶体管,VT2可选功率场效应管。

3.3 接收电路设计

接收信号电路主要包括以下6部分:输入保护电路、阻抗匹配及电流放大器、两极电压放大器、带通滤波器、输出级放大器和电压比较器。

信号在传播过程中,其能量会随传输距离的增大而减小[8],从远距离障碍物反射的回波信号一般比较弱,经超声换能器变换为电信号后一般为mv级,必须经过放大才能使用,接收换能器输出阻抗非常大,第一级放大电路必须有足够大的输入阻抗,所以采用高输入阻抗的运算放大器TL061型单运放。

电压比较器选用LM339(现仅用其中一路)。带通滤波器中的中心频率应与接收器的中心频率相同。调节电位器可改变接收灵敏度,提高抗干扰能力。常态下LM339输出高电平,当接收到超声波脉冲的第一个上升沿时就输出低电平,送至ATmega16L单片机的接收引脚,使内部定时器停止计数。红外传感器弥补超声波传感器较近测量的盲区,只发送接收信号即可,在上位机上显示有无。

3.4 无线传输模块

随着未来网络通信市场的成熟,无线技术将获得充分的发展空间,而在技术逐渐成熟和应用领域进一步细分的基础上,各种无线技术将在自身优势基础上得到更好的发展。本系统选用低功耗、高可靠性,体积小,重量轻的FC-201/SP微功率无线数传模块,故可采用单片射频集成电路及单片MCU,外围电路少,可靠性高,可以方便地嵌入用户的电路板上;连接PC机和下位机进行短距离无线数据传输。

FC-201/SP提供了TTL、RS232、RS485三种接口方式,本论文选择RS232接口方式。

3.5 测距系统总体设计

ATmega16L单片机的高速、高集成、高性能等优点,适合于要求速度快、精度高、扩展功能强、动态连续的超声波及红外测距系统。ATmega16L单片机是采用先进的RISC结构[9],超声、红外测距系统的很多功能均可由该芯片实现,针对测距系统的特点和要求,在超声波红外测距系统中使用ATmega16L单片机,可使系统所需扩展电路及芯片大大减少,从而使系统再扩展成为可能,而且具有线路简单、便于维护的优点,因而有利于提高系统得稳定性和可靠性。故可采用ATmel公司的Mega16L单片机做下位机进行超声波和红外两种距离探测传感器的数据处,具体如图4所示。

超声波传感器与PA口相连,PB口与红外传感器相连。MAX232的R1IN和T1 OUT分别与PD0(RXD)以及PD1(TXD)相连。每次测距时,Mega16L单片机通过PA口与PB口接收超声及红外传感器传输来的数据,再由PD口传输到MAX232,并经其转化后,将数据传送给无线模块,利用无线通讯技术将数据传送到PC机上,实现上下位机之间的无线通讯,并在上位机上进行处理示,完成整个测距过程。当被测物体与传感器距离低于0.2m时,由于声波在空气中传输时间太短,接收芯片无法正常响应,则采取红外线测量。

4 实验结果与分析

在使用超声红外复合测距系统对前方障碍物进行检测时,20cm内的障碍物目标通过红外传感器探测完成,20~300cm之间的障碍物目标由超声波传感器探测完成。

为提高测量精度,数据采集的周期尽量选择的长一些,这样可以避免数据值得抖动,便于上位机进行读取。该系统在实际应用中,测量0~300cm范围内的距离时,其误差都在0~±2cm之内,所测障碍物的测量距离与实际距离之间的误差有些偏大,为了进一步提高其测量精度,基于Bayes估计的数据融合方法,对所得数据进行数据融合处理,处理后得到的测量数据与实际值的误差为0~±1mm之间。

5 结论

本文以超声波传感器为主,红外传感器作为超声测量盲区补偿,设计了超声红外复合测距系统。克服了单一传感器测距系统的不足,使系统的测距精度和定向精度都有了一定的提高,进一步提高了测量精度,采用基于Bayes估计的数据融合方法对数据进行处理。利用无线通讯技术实现了上下位机之间的无线通讯以及人机分离操作,扩大了复合测距系统的应用范围,并具有良好的人机界面,利于数据的实时显示。测量误差由原来的±2cm降到±1mm。实际应用结果明,所设计的复合测距系统达到了设计要求。

参考文献

[1]李磊,叶涛,谭民,等.移动机器人技术研究现状与未来[J].机器人.2002.24(5):475-480.

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[3]刘升平,王剑,葛红.超声波测距系统的开发与研究[J].计算机工程与应用.2009.45(25):78-81.

[4]张春光.基于单片机的超波测距系统的设计[J].机床与液压.2008.36(7):208-211.

[5]仇成群,胡天云.基于超声波的汽车防撞报警系统的设计[J].制造业自动化.2009.31(4):75-77.

[6]杨振宇,李琳,陈文芗.一种微控制器的倒车雷达系统的设计[J].计算机测量与控制.2007.15(1):68-70.

[7]杜洪超,李邓化,高晶敏.基于超声和红外传感器的探测系统设计[J].微计算机信.2010.26(22):95-99.

[8]管彦滨,贺西平,樊安仓,等.20kHz大距离超声测距仪硬件设计[J].陕西师范大学学报(自然科学版).2009.37(3):47-50.

超声波测距系统 第8篇

1 实验模型设计

小车模型制作主要根据真车特点, 采用前置方向轮, 采用直流电机作为小车模型动力源, 动力装置对车进行后置驱动。

2 总体方案设计

系统原理如图1所示, 系统以ARM9为处理器, 外扩大容量数据存储和程序存储芯片。处理器输入主要有超声波传感器组 (辅助有摄像头检测到图像数据) 和车姿态数据;其输出部分为执行和显示部分;采用摄像头系统实现对空旷地点进行辅助泊车。

3 超声波雷达设计

3.1 超声波测距装置

超声波发射器向某一方向发射超声波, 在发射时刻同时开始计时, 超声波在空气中传播, 途中碰到障碍物就立即返回来, 超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中传播速度为340m/s, 根据计时器记录时间t, 就可以计算出发射点距障碍物距离 (s) , 即:s=340t/2, 这称为时间差测距法。

系统采用3个以上超声波传感器组成线阵式检测装置, 可以分别对车正前方、车下前方和上前方进行测量, 以保证系统可靠性。

3.2 转台设计

转台是超声波雷达重要组成部分之一, 通过转台旋转, 实现超声波对周围环境扫描测量。转台动力部分由步进电机进行实现对角度精确控制, 超声波雷达通过转台旋转, 不断测量周围距离信息, 可以测量出当前小车周围环境。

4 辅助泊车系统总体设计

整套系统中央控制部分采用S3C2440的ARM9处理器, 可以达到400MHz处理速度, 能够满足系统对图像及超声波雷达处理。车位检测停车场是在过道两侧横向或纵向安排车位, 相应地就有“平行泊车”和“垂直泊车”两种泊车方式。车位检测主要是由超声波测距装置来完成。由步进电机转动带动超声波测距传感器转动, 使其以扫描方式来检测周围障碍物数据并送入到ARM处理器。泊车路径的确定通过对车位数据处理, 选择一种合适泊车路径。使用模糊控制方法, 将车位数据与系统内部数据进行对比, 确定是使用路径规划方法还是基于经验泊车方法, 或者是两者相结合方式。最终实现自动泊车系统全部功能。

5 结语

本文以智能车为平台, 设计并实现了基于超声波测距的自动泊车演示验证系统。采用扫描式超声波雷达作为主要辅助泊车系统, 具有准确的判断能力;采用多种泊车方式相结合的方法, 实时对车周围环境进行检测, 具有不可比拟的优势;采用摄像头辅助超声波雷达系统, 降低了现有停车辅助系统对环境的苛刻要求。实验证明此演示验证实验系统精度高、运行稳定、维护方便, 具有应用和推广价值。

参考文献

[1]杨明.长率无人驾驶车辆研究综述与展望[J].哈尔滨工业大学学报, 2006 (8) :1259～1262.

[2]蒋志文, 曾祎.基于双目视觉和路径规划车辆自动泊车系统[J].公路与汽车, 总127:69～72.

[3]何锋.一种应用于自动泊车系统车位检测方法[J].传感器世界, 2009 (3) :24～2 7.

[4]史小磊, 王春香.基于激光雷达自动泊车系统[J].机电一体化, 2010 (3) :124～127.

[5]李永明[译].Best.RolandE.Phaselocked, design, simulation, and applications[M].1版.北京:清华大学.

超声波测距系统 第9篇

关键词：超声波测距,DSP,单片机,数据整合

超声波作为一种特殊的声波,由于其指向性强,在空气中传播速度相比光速要小很多,其传播时间容易检测,因此目前超声波测距广泛采用的是回波-渡越时间的方法[1]:检测从超声波发射器发出的超声波,经气体介质传播到接受器的时间即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘,就是声波传输的距离。文献中广泛采用的是基于单片机的超声波回波-渡越时间测距方法,其精度很难做的很高,其原因在于系统时钟比较低,基准时间固定,而且回波峰值时刻检测倒推前沿时刻不准,或者是存在阈值门限等问题都使得这种方法很难将误差做到半个波长以内,这个问题的解决关键是建立一个误差修正的机制。本文在此提出了基于DSP构建FFT检相,对基于单片机回波-渡越时间法出来的距离进行数据整合修正误差,这种方法对于超声波级联大距离测距有着很高的实用意义。

1 基于单片机粗测模块的设计

粗测部分采用的是包络峰值点检测法。粗测部分控制核心采用单片机,单片机在上电复位以后,首先初始化工作,启动测温电路,为后续计算声速提供实时温度数据以期获得一个比较准确的声速值,40 kHz超声波在空气中的传播公式[2]为C=331.5+0.607T 。然后软件定时控制555发射10个脉冲驱动超声波换器,启动发射模块驱动超声波序列的同时开始计时,回波信号通过调理判断之后停止计时得出往返时间,以此时间为基准减去包络峰值点与回波前沿的差值作为粗测的结构。

2 基于DSP精测模块的设计

2.1 设计总体思路

精测部分采用FFT数字检相法。具体的模块框图如图1,由于精测部分不需要去确定传输距离中的整波长个数,只需对不足波长进行测量,因此选用相位差测量的方式作为实现手段,为了保证精测部分能够以粗略测量时间为基准成功启动A/D转换对发射信号和回波信号进行FFT检相,粗略测量和精确测量驱动发射方式不同,前者发送一个有限长脉冲序列,而后者则保持连续发射,因此不能在一次测量过程中将两者同时完成。粗略测量后开始精确测量工作,控制持续驱动发射超声波并以粗略测量结果为基准进行定时工作,当定时工作完成时启动对发射信号和回波信号的A/D采样,并利用数字信号处理单元对其进行FFT检相,依此求出两者之间的相位差,此即为精确测量的结果。

2.2 数据整合方式

粗测的方法是为了得到一个整波长的数目,精测出来的相位差转化为一个波长的部分的精确数值,理论上讲两者相加应该得到一个比较精确的值。但实验中发现,这种整合有一定缺陷,例如假设实际距离为1 250.8λ,当粗测结果为1 251.2λ,精测结果为0.7λ时,简单取整反而会把误差扩大到0.9λ,存在着整波个数是否需要加一或减一的问题。由此可以看出,数据融合的方式与粗测误差大小有很大的关系,直接影响到数据整合的方式,考虑到实际粗测实验的结果,发现粗测部分已经可以把误差控制在0.4λ以内。本文提出分三种情况进行讨论数据整合方式:

粗测结果小数部分与精测结果差之绝对值在0.4λ以内,直接取粗测结果整波长数目与精测结果相加。例如粗测为1 250.5λ,精测结果为0.7λ,粗测小数部分和精测部分之差在0.4λ以内,直接将其整数部分与精测结果相加,则测量结果为1 250.7λ,误差明显减小;

(1) 粗测结果小数部分与精测结果差之绝对值大于0.4λ且为正向值(即粗测距离大于实际距离)时,将粗测整波长数目减1后再与精测结果相加。例如粗测结果为1 251.1λ,精测结果为0.9λ,如果直接取整相加结果为1 251.9λ,误差反而扩大,在此首先用1 250来替代1 251,则同样可以将误差明显减小;

(2) 粗测结果小数部分与精测结果差之绝对值大于0.4λ且为负向值(即粗测距离小于实际距离)时,将粗测整波长数目加1后再与精测结果相加。例如粗测结果为1 250.9λ,精测结果为0.1λ,在此用1 251替换1 250,最终测量结果为1 251.1λ,相比原来简单相加则误差明显减小。

3 通讯机制

在粗略包络测量和精确相位测量工作完成之后,需要单片机将粗测数据传递给DSP,DSP对两次测量数据进行整合作为最终测量结果以供显示,相关课题选用的是单片机P89V51和TMS320LF2407[3]中都集成了SPI控制器,最高传输速率可达到10 MHz, 采用SPI作为两者数据交换的通道,速度快,且抗干扰强,可以通过设置相关控制寄存器,将SPI模块设定为主机或从机。本系统中是将DSP作为接收数据的设备,SPI模块设置为从机模式。同时在DSP一端可增加多通道进行选通,使得多级粗测加一级精测做成级联测距的系统,有效的降低成本,增加可测距离。

4 系统软件设计

4.1 整体设计流程

系统软件设计的对应的分为三个部分:粗略测量控制算法模块、FFT检相模块和数据传输整合模块,流程如图2所示。整个测量过程由人工控制触发,首先进行粗略测量部分的控制和计算工作,得出粗略测量时间。在粗略测量工作完成之后,自动开始相位测量工作,以粗略测量结果作为定时启动对发射脉冲序列和接收回波信号的A/D采样及FFT检相工作,以得到信号间相位差数据。最后根据前面提出的数据整合算法计算最终结果并给予显示以便观察。全过程只需要人工一次触发,其后过程全部自动完成,达到了实时性、自动化的要求。

4.2 FFT检相

信号采样后,对数据进行FFT处理则得到信号的离散频谱,通过选定具体的采样频率和FFT计算点数可将基波信号确定在FFT序列的固定位置之上,虚部数值和实部数值的比值反正切即为基波相位。

为了追求运算速度,发挥DSP指令系统的优势,本设计采用了TI公司的FFT程序[4],采用时间进行抽取,基数为2,将检相的过程转化成对FFT库调用,本设计的相位检测流程如下:

(1)把输入的N个信号数据序列按位码倒置方式重新排列,该步骤使用void FFTC_brev1(int *src, int *dst, int size)函数,src为对信号采样后的数据存储空间起始指针,dst为就地计算数据缓冲区起始指针,size则为FFT大小,一般情况下src空间大小为N,dst空间大小为2N;

(2)零化复数输入信号序列的虚部,调用形式为fft.izero(&fft);

(3)进行N点基数为2的复数FFT计算,调用形式为fft.calc(&fft);

(4)取出输出复数序列中的相应单元,调用数学库“math.h”中的反正切函数得出基波信号相位,在单周期整周期采样的前提下,基波实部和虚部分别存储在第三、四个单元之中。如果为多周期采样情况,基波实部和虚部存储单元则按采样比率类推。

5 小结

在深入研究超声波传播特性的基础上,结合了目前流行的超声波回波-渡越时间测距的优缺点和既有精度,提出了一种粗精两次测量结果整合的方法,将两次测量的结果进行有效整合,然后进行了粗略测量模块和精确测量模块的具体方案设计,分别由包络峰值时刻测量模块和FFT相位差测量模块来实现。充分体现出低成本单片机和上位主控DSP功能强大的优点,应用在水位自动化检定装置样机中,其测试效果为单程2 m,测量误差最大为0.5%,级联5个粗测模块10米范围内误差仍在0.5%,有着可靠的精度和可重复性。

参考文献

[1]李茂山.超声波测距原理及实践技术.实用测试技术1994;(1):12—20

[2]赵占林,刘洪梅.超声测距系统误差分析及修正.科技情报开发与科技,2002;(6):144—145

[3]张毅刚,赵光权.DSP原理、开发与应用.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社2006:191—209

矿用本质安全超声测距电路系统设计 第10篇

超声波因其突出的环境适应能力而被优先使用于燃爆环境下的物位测量、水位测量、流量测量、厂区安全距离预警和特殊车辆倒车雷达等[1,2]。然而在燃爆性环境中,当仪器设备的电路系统中释放的能量高于环境中物质的最小点燃能量时,便会引燃引爆周围的易燃易爆气体,造成严重的安全生产事故。目前,本质安全设备因其安全性最好、使用最方便而成为最佳的防爆手段[3],同时可省去隔爆外壳及其他复杂结构,兼有重量轻、尺寸小、成本低等优点[4],为此,矿用仪器设备的电路系统必须优先考虑进行本质安全化设计[5],以满足实际安全生产需求。

近年来国内学者针对燃爆环境下检测设备的本质安全化开展了很多研究。其中,杨健健等[6]通过解决矿用阻燃电缆模块非本安化难点,设计了矿用本安型振动传感器。赵舒畅等[7]针对本质安全要求设计了一种煤矿运输声光报警装置,然而,目前针对超声测距系统的本质安全设计和研究目前尚且空白。为此,本文采用可实现高低压切换功能的高速光耦器件,设计了矿用超声测距电路系统,再配合本质安全电源电路和阻抗匹配驱动电路,实现了矿用超声测距电路系统的本质安全化设计。通过分析测距电路系统的输出电压波形,计算了测距电路系统各储能元件的最大储能。结果表明,基于高速光耦的本质安全超声测距电路系统中各储能元件的最大储能均小于最小点燃能量,达到了相关国家标准[8]规定的本安要求。

1 超声驱动电路

超声测距电路系统包括超声驱动电路和超声回波处理电路2个部分。其中驱动电路对换能器进行驱动,使其发射超声波,回波处理电路对换能器接收的回波进行处理。由于回波处理电路供电电压单一、控制简单,而驱动电路供电电压不同、驱动控制复杂,因此,将供电电路、光耦转换电路、匹配调理电路组合为超声驱动电路,如图1所示。

供电电路输入18V本安直流电压,18V直流电压连接电阻R2给光耦转换电路中的光耦4N25引脚5供电,并通过18/12V,12/5V转换元件输出5V给单片机C8051F040供电。光耦转换电路从单片机S0输入低压驱动脉冲,并转换为输出约为18V的高压脉冲U0,在4N25引脚4输出。高压脉冲U0送入匹配调理电路后驱动换能器发射超声波。超声波经障碍物反射回来后经换能器转换为超声回波信号,经匹配调理电路送入回波处理电路处理后输出脉冲信号,单片机检测S0端口发射脉冲时刻和S1端口回波脉冲信号时刻时差Δt,Δt即为超声波飞行时间,按照超声波距离计算公式d=0.5×vΔt(v为超声波在空气中传播速度),计算出换能器与障碍物的距离d。

1.1 供电电路

供电电路如图1所示。由于线性稳压器具有反应速度快、输出纹波小、工作时产生噪声较低等特点,选取线性转压芯片LM7812和AMS1117-5.0作为第1、第2级电压转换电路,将18V本安直流输入电压分别转换为12V和5V输出,其中C1、C2、C3、C4分别为输入端和输出端滤波电容。同时在第1级稳压转换电路的输出端,选择电阻R1及电容C2和C3分别构成了π型RC滤波电路,本安输入电压经过多重滤波后,降低了电压中的谐波分量,减小了供电电路输出直流纹波。

1.2 光耦转换电路

光耦转换电路如图2所示。光耦转换电路输入、输出电压信号分别为Ui和U0,光耦4N25输入电流为iD,当iC≤iD≤iF(iC,iF分别为光耦4N25工作于放大区间的最小电流和最大电流)时,B2脱离截止区而工作于放大区,此时流经B2的电流iB随流经二极管D0的电流iD线性变化,因此,从光耦4N25引脚4输出的电压U0随引脚2端口电压线性变化。

由于Ui为一连串低压控制脉冲,为保证输出电压U0随Ui线性变化,流经D0的电流iD应满足如下条件:

式中:UB为集电极B1的电压;RD为二极管D0导通时的等效电阻。

通过外置电阻R3并选择三极管B1参数,使电流iD工作于式(1)的区间,这样U0随UB线性变化,而UB随Ui线性变化,所以,U0随Ui线性变化,且U0为占空比与Ui相同的高压脉冲。

1.3 匹配调理电路

对超声换能器进行阻抗匹配会提升换能器的电能-机械能和机械能-电能的转换效率[9],换能器匹配调理过程如图3所示。

图3(a)为换能器匹配电路,L1、Cp、Rp分别为匹配电感、电容和电阻。换能器匹配后的电路如图3(b)所示,虚线框内为换能器等效电路,C0为静态电容,Lm和Cm分别为动态电感和动态电容,Rm为串联支路等效电阻。换能器驱动时动态支路等效为电阻Rm。系统驱动时换能器匹配电路如图3(c)所示,驱动时换能器总电路如图3(d)所示,其中RG为二极管D2导通的等效电阻。

如图3所示,对换能器进行匹配时,匹配电感L1与C0有关,为减小匹配电感L1的储能,增加匹配电容Cp可改变L1的大小。经阻抗匹配之后电路总阻抗为

式中ω为换能器谐振频率。

为减少Z的虚部造成的无功损耗,应使Z的虚部为0,得到L1的表达式:

由式(3)可知:阻抗匹配后,电感L1的感抗与C0和Cp的容抗在谐振频率ω处抵消,此时换能器表现为纯电阻,消除了总阻抗虚部的无功损耗。此外,为减小流经电感L1的电流,增加了限流电阻Rp进行分流,以进一步减小电感L1的储能。

2 超声回波处理电路

发射出的超声波信号遇到障碍物后返回换能器,经机械能-电能转换变为电信号,再经信号调理电路实现对回波电信号的放大与解调,超声回波处理电路如图4所示。其中,A为二级放大,B为滤波放大,C为峰值检测和比较输出。

回波经二级放大后,输入滤波放大电路进行滤波和放大,其中滤波放大电路由放大器M1(LM339),外置电阻R9、R10和电容C9、C10构成,电路中心频率为

通过设置R9、R10、C9、C10可改变电路的中心滤波频率,滤除f0以外频率的杂波。滤波放大后回波送入由C11、C12、R14、R15和二极管D2组成的峰值检测电路,将回波信号整形为幅值连续的回波信号,最后送入比较器M4和直流电压V0进行比较,电压V0取值如下:

当峰值检测输出回波电压信号的峰值大于V0,比较器M4输出一个高电平脉冲,并送入单片机端口S1,单片机通过检测此脉冲来识别超声波回波。

3 本质安全参数设计

本质安全电路是指电路在正常和非正常工作时(短路或断路等)都能达到本质安全要求的电路。对电路的本质安全性能进行分析评价的方法有很多种,其中采用最小点燃能量进行定量分析和设计的评价方法可以避免复杂实验,且设计可信度较高[10]。

3.1 驱动电路本质安全参数设计

超声波测距电路系统的驱动电路储能元件(如电感L和电容C等)的储能较大,所以,最难达到本质安全要求,也是超声波测距电路系统本质安全参数设计的主要考虑因素。驱动电路中电感和电容的储能计算公式如下:

式中:I为流过电感L的电流;U为电容C两端电压。

按照图3(d)中驱动时的等效电路,设流经电阻RG的电流为i,流经匹配电感L1的电流为iL,对电路分析得到电流i和iL的计算公式:

电阻Rp和Rm对电流i进行分流,得到iL,将iL代入式(6)得到电容Cp的储存能量WCp和电感L1的储存能量WL1:

超声驱动电路参数如下:RG=50Ω,Rp=1kΩ,Rm=200Ω。由于U0<UIN,设计时将U0按照UIN值来设计L1和Cp取值范围。依据国家标准,I类(甲烷-空气)点燃最小能量Wmin=0.28mJ[8],Cp两端储存能量应满足WCp<Wmin,进而得到驱动电路电容Cp取值范围为Cp<0.74μF。

假定电容Cp同换能器静态电容C0(换能器静态阻抗值约为2 000pF)数量级大致相同,选取C0=2 200pF,将电阻RG、Rp、Rm代入式(3),则有L1=167μH。将L1值代入式(8),得WL1=0.41μJ,小于Wmin,因此,电感L1参数取值符合本质安全要求。

3.2 回波处理电路本质安全参数设计

由图4可知,回波处理电路最大电压VCC=5V。根据国家标准[8],电容储量需满足WC<Wmin。依据式(6)可得回波电路中电容最大取值Cmax≤9.96μF。考虑回波处理电路对电容滤波需求,设计了回波处理电路电容本质安全参数。驱动电路电容Cp和电感L1,供电电路电容C1—C4及回波处理电路C6—C12的本质安全参数设计及对应元件最大储能见表1。

4 实验结果分析

为验证以上本质安全电路系统设计的合理性,按照图1和图4设计了测距电路系统,并选用型号为NU40A25TR的收发一体超声波换能器,同时选择匹配电感L1=167μH,Cp=2 200pF。

4.1 正常工作状态波形

驱动电路正常工作时的波形如图5所示,即图1中的波形测试点(a)的测试波形。正常驱动时,驱动电路的最大电压U0(max)为15.5V,小于设计计算取值(18.0V)。

随后测试了回波经二级放大后M2输出的波形,即图4中波形测试点(b)的波形,如图6所示。可观察到回波幅值电压小于VCC(5V),因此,回波电路中各储能元件的最大储能可依照表1中的最大储能值来考虑。由以上对驱动电路和回波电路的波形分析和计算可知,实测正常工作时电路最大能量与所设计的能量值不同,需要重新计算元件储能。

4.2 非正常工作状态波形

为判定驱动电路在电路非正常时(开路和短路)上电最大能量,测试了电源和驱动电路开路和短路时的电压波形。本质安全电源输入电压UIN在上电瞬间和断电瞬间的电压波形如图7所示。

高压驱动脉冲在换能器正端上电瞬间产生的电弧和驱动结束后的电弧放电波形如图8所示,从图8可知,实际驱动脉冲上电瞬间最大电弧电压幅值(U0=15.4V)大于计算值(U0=15V)。

4.3 电路本质安全分析和对比

由4.1节和4.2节对超声测距电路系统正常与非正常情况下的波形对比分析可知,参数设计时所选用的电压值和实际电压值不同,所以,需对电路元器件实际储能进行校准。由图5和图8可知,驱动最大电压U0(max)=15.5V,代入式(8)得WCp=0.26μJ,WL1=0.41μJ。由图7可知,本质安全输入电源UIN上电电弧最大幅值约为19.5V,大于设计电压18.0 V,于是选择将UIN=19.5 V代入式(6)得到电容C1和C2的储能:WC1=19.0μJ,WC2=18.6μJ。可知WC1和WC2相对表1中的数值变大。

对于短路时的能量分析,主要考虑容易导致短路情况发生的电阻RG、Rm、Rp对匹配电感L1和电容Cp的储能值变化的影响及电感L1短路时匹配电容Cp的储能变化的影响。电阻RG、Rm、Rp分别短路时,计算电感L1的最大储能为0.47μJ;电阻RG、Rm、Rp和电感L1分别短路时,Cp的最大储能为0.26μJ。

电路正常工作、断路及短路时,各元器件最大储能值如图9所示。图9中,Ⅰ为供电电路区间、Ⅱ为回波处理电路区间、Ⅲ为驱动电路区间的最大储能,横坐标1—13分别代表元件器C1—C4、C6—C12、Cp和L1对应的序号。

由图9可知,通过实测波形计算所得储能与设计元器件计算储能相差不大,均小于国家标准规定的最小点燃能量(0.28mJ)[8],所以,设计的超声测距电路系统符合国家标准规定的本质安全要求。

5 结语

给出了符合本质安全要求的超声测距电路系统中驱动电路、回波电路及供电电路的设计参数,通过对测距电路系统关键引脚的波形分析,得出了电路系统满足本质安全要求的结论。

参考文献

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[2]戴绍港.基于超声波测距的自动寻迹泊车系统模型设计[J].电子器件,2012(3):204-207.

[3]赵曼.防爆型电气设备及电路本质安全性能评价[J].电子科技,2013(5):174-176.

[4]蔡利新.本安电路参数设计及元件要求简介[J].电气防爆,2008(3):21-23.

[5]张刚.煤矿井下本质安全电气系统设计及技术发展[J].工矿自动化,2012,38(9):27-34.

[6]杨健健,薛光辉,赵国瑞,等.矿用本安型振动传感器的研制[J].煤炭科学技术,2013,41(2):71-74.

[7]赵舒畅,曹利波,任玉东.煤矿运输安全声光报警装置设计[J].煤矿机械,2014,35(8):214-217.

[8]GB 3836.1—2010爆炸性环境设备通用要求[S].

[9]徐晓伟.压电超声换能器的阻抗匹配分析[J].振动测试与诊断,2014,36(5):745-747.

超声波测距系统 第11篇

近年来,随着人们生活水平的提高、市场的繁荣私家车、运输车及各种车辆与日俱增,汽车也就成为各地经济发展的中枢纽带,逐渐走入每个家庭。在享受汽车给人们带来便利的同时,由于倒车而产生的问题也日益突出。因此,增加汽车的后视能力,研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。

汽车倒车系统主要指倒车雷达,它是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置,能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况,解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰,并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷,提高驾驶的安全性。

通常,倒车雷达可以通过不同的测距方式能很好的解决停车时因视线不清而造成倒车不便,主要采用的是超声波测距技术,挂倒档时接通倒车雷达的电源,利用换能器(超声波传感器)的压电特性,间断以频率40KHz的电压激发压电片,该压电片随即由电能转换成机械能(40KHz超声波)并发射出去,当发射出去的声波接触物体时,根据声波的反射性原理,会反射回微弱声波信号给超声波传感器,换能器即将所接收的微弱声波振动信号转化成为电信号,经信号放大处理后,传送至微处理器,微处理器就可计算车与该物体之距离,并显示出来,再由微处理器判断决定是否对构成危险的目标按不同程度进行警示提醒[1]。

在近几年的时间里,随着技术发展和用户需求的变化,倒车雷达经过了大致六代的发展:第一代:倒车时通过喇叭提醒。“倒车请注意”!第二代:采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。倒车时,如果车后1.8米~1.5米处有障碍物,蜂鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急,表示车辆离障碍物越近。第三代:数码波段显示具体距离或者距离范围。第四代:液晶荧屏动态显示。第五代:魔幻镜倒车雷达。第六代:整合影音系统。是专门为高档轿车生产的。整合了高档轿车具备的影音系统,可以在显示器上观看DVD影像。

2 系统硬件电路设计

2.1 设计系统原理框图及介绍

如上图1所示,本系统硬件部分由STC89C52控制器、超声波发射电路、超声波接收电路、温度补偿电路、语音报警电路、LCD显示电路以及其他单片机外围电路组成。单片机STC89C52是整个系统的核心部件,协调和控制各部分电路的工作。由单片机编程产生40KHz的方波,由P1.0口输出,再经过发射电路驱动超声波发射探头发射超声波。单片机在超声波信号发射的同时开始计时,超声波信号在空气中传播遇到障碍物后发生反射,反射的回波信号经过处理后输入到单片机的INT0端产生中断,计数器停止计数。通过计数器测得的脉冲数可得到超声波信号往返所需要的时间,从而达到测距的目的。超声波探头选用R/T分体式40KHz-1 6 M M超声波传感器;超声波发射电路采用反相器74HC04,接收电路采用专用前置放大器CX20106,不仅外围元件较少,电路简单,而且有更好的稳定性及可靠性;温度补偿电路采用一线制数字温度传感器DS18B20,利用声速和温度之间的关系对声速进行校正,从而消除温度对声速的影响;LCD显示电路采用1602液晶显示屏,一行显示温度,一行显示距离;语音报警电路采用ISD4004,可实现汽车倒车过程中的语音报警[3]。

2.2 超声波发射电路

超声波发射电路是为了让超声波发射换能器TCT40-16T能向外界发出40KHz左右的方波脉冲信号。40KHz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,为了节省成本,本次设计采用了后者。编程由单片机STC89C52的P1.0端口输出40KHz左右的方波脉冲信号,由于单片机端口输出功率不够,40KHz方波脉冲信号分成两路,送给一个由74HC04组成的推免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。超声波发射电路如图2所示[5]。

2.3 超声波接收电路

超声波接收及信号处理电路是此系统设计和调试的一个难点。超声波接收器接收反射的超声波转换为40KHz毫伏级的电压信号,需要经过放大、处理、用于触发单片机中断I N T 0。一方面传感器输出信号微弱,同时根据反射条件不同信号大小变化较大,需要放大倍数大约为100到5000倍,另一方面传感器输出阻抗较大,这就需要高输入阻抗的多级放大电路,这就会引入两个问题:高输入阻抗容易接收干扰信号,同时多级放大电路容易自激振荡。参考各种资料最后选用了SONY公司的专用集成前置放大器CX20106达到了比较好的效果[3]。

本系统中应用的接收电路如图3所示。CX20106接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力,可以满足接收电路的要求。同时,使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰,减小电噪声。当接收到40k Hz信号后,芯片7脚会出现较短的低电平,输出一定幅度的电压信号到STC89C52的P3.2口以触发中断。另外该芯片价格在三到五元,非常节省系统成本。图中输出端上拉电阻R1和R2,一方面可以提高反相器74HC04输出高电平的驱动能力,另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果,缩短其自由振荡的时间。

2.4 温度补偿电路

经综合考虑,温度补偿电路采用美国达拉斯(Dallas)公司的单线数字温度传感器芯片DS18B20作为温度传感器,与传统的热敏电阻有所不同。DS18B20可直接将被测温度转化成数字信号,以供单片机处理,它还具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点[2]。

根据D S 1 8 B 2 0的通讯协议,主机(单片机)控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤:每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作,复位成功后发送一条R O M指令,最后发送R A M指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒,然后释放,当DS18B20收到信号后等待16~60微秒左右,后发出60~240微秒的存在低脉冲,主CPU收到此信号表示复位成功。

DS18B20采用单总线方式和STC89C52单片机连,即D S 1 8 B 2 0的1脚接地,3脚接+5 V电源,2脚接至STC89C52的P1.1引脚,同时将P1.1引脚采用一只4.7ΚΩ的电阻上拉至+5V电源。测得的温度值以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节,单片机通过单总线接口读到该数据后,即可通过计算得到实时环境温度值。

2.5 LCD显示电路

LCD显示器是利用液晶经过处理后能改变光线的传输方向特性实现显示信息的。液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗极低,显示内容丰富等特点,在单片机应用系统中得到了日益广泛的应用。液晶显示器按其功能可以分为三类:笔段式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。前两种可以显示数字、字符和符号等。而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形,达到图文并茂的效果[4]。

字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式液晶显示模块。它是由若干个5*7或者是5*11等点阵符位组成的,每个点阵字符位都可以显示一个字符。点阵字符位之间,有一定点阵间隔,这样就起到了字符间距和行距的作用。

DB0~DB7为8位双向数据线,与单片机STC89C52的P2口相连;使能端E接P0.2;读写信号R/W接P0.1;寄存器选择端R S,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器;Vee为对比电压调整端,使用时通过一个10K的电位器接地,可调节液晶屏的亮度。LCD显示内容包括倒车距离和车外温度两部分,分两行显示:第一行显示倒车距离,第二行显示车外温度。

2.6 语音报警电路

本设计的语音报警电路采用ISD4004语音芯片。ISD4004与单片机STC89C52单片机接口电路如图6所示。从图中可以看出,ISD4004和单片机之间的连接较少。单片机的P1.3接ISD4004的片选引脚SS,控制ISD4004是否选通;P1.2接ISD4004的串行输入引脚MOSI,从该引脚读入放音的地址;P1.7接ISD4004的串行输出引脚MISO;P1.4接ISD4004的串行时钟引脚SLCK。ISD4004芯片音频信号输出引脚AUD OUT,该引脚通过一个滤波电容,经功率放大电路LM386后与扬声器连接;麦克风MK3接入ISD4004的录音信号输入端(ANA IN﹣、ANA IN﹢);AMCAP为自动静音端,使用时通过一电容接地。

当倒车距离大于3 m时,语音提示为“倒车安全”;当倒车距离在2-3m之间时,语音提示为“倒车”;当倒车距离在1-2 m之间时,语音提示为“倒车小心”;当倒车距离在0.5-1m之间时,语音提示为“倒车危险”;当倒车距离小于0.5m时,语音提示为“非常危险,紧急停车”。[6]

3 结束语

本文对单片机控制的超声波测距仪汽车倒车系统的设计进行了硬件电路图设计,硬件的综合调试。是一款比较完美、实用的倒车雷达。

参考文献

[1]吴琼,封维忠,马文杰.汽车倒车雷达系统的设计与实现.现代电子技术[D].南京:南京林业大学信息科学技术学院.2009,9:198-201.

[2]朱利娜.基于单片机的超声测距倒车雷达的研究[J].微计算机信息,2007,(23):110-111

[3]韩博奇.车载倒车雷达系统的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006.

[4]宋永东,周美丽,白宗文.高精度超声波测距系统设计[J].现代电子技术,2008,(31),15:144-146.

[5]孟立凡等.超声测距换能器及收发电路的研究[J].华北工学院学报,2001,22(2):87-89