超聲波測距電路設計

超聲波測距系統(tǒng)電路設計 嵌入式系統(tǒng)開發(fā) 2009 02 09 19 30 03 閱讀 113 評論 0 字號 大中中小 訂閱 由于超聲波指向性強 能量消耗緩慢 在介質中傳播的距離較遠 因而超聲波經(jīng)常用 于距離的測量 如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn) 利用超聲波檢測往往 比較迅速 方便 計算簡單 易于做到實時控制 并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的 要求 因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用 為了使移動機器人能自動避障行走 就必須裝備測距系統(tǒng) 以使其及時獲取距障礙物 的距離信息 距離和方向 本文所介紹的三方向 前 左 右 超聲波測距系統(tǒng) 就是 為機器人了解其前方 左側和右側的環(huán)境而提供一個運動距離信息 一 一 超聲波測距原理超聲波測距原理 1 超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波 人們已經(jīng)設計和制成了許多超聲波發(fā)生器 總體上講 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 磁致伸縮型和電動型等 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 目前較為 常用的是壓電式超聲波發(fā)生器 2 壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結構如圖 1 所示 它有兩個壓電晶片和一個共振板 當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 壓電晶片將會發(fā)生共振 并帶動共振板振動 便產(chǎn)生超聲波 反之 如果兩電極間未外加電壓 當共振板接收到超聲波時 將壓迫壓電晶片作振動 將機械能 轉換為電信號 這時它就成為超聲波接收器了 3 超聲波測距原理 超聲波測距原理 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波 在發(fā)射時刻的同時開始計時 超聲波在空氣中傳播 途中碰到障礙物就立即返回來 超聲波接收器收到反射波就立即停止計時 超聲波在空氣 中的傳播速度為 340m s 根據(jù)計時器記錄的時間 t 就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 s 即 s 340t 2 這就是所謂的時間差測距法 圖 1 超聲波傳感器結構 二 二 超聲波測距系統(tǒng)的電路設計超聲波測距系統(tǒng)的電路設計 本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計 時 單片機選用 8751 經(jīng)濟易用 且片內(nèi)有 4K 的 ROM 便于編程 電路原理圖如圖 2 所示 其中只畫出前方測距電路的接線圖 左側和右側測距電路與前方測距電路相同 故 省略之 1 40kHz 脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射 測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用 UCM40 的壓電陶瓷傳感器 它的工作電壓是 40kHz 的脈 沖信號 這由單片機執(zhí)行下面程序來產(chǎn)生 puzel mov 14h 12h 超聲波發(fā)射持續(xù) 200ms here cpl p1 0 輸出 40kHz 方波 nop nop nop djnz 14h here ret 前方測距電路的輸入端接單片機 P1 0 端口 單片機執(zhí)行上面的程序后 在 P1 0 端口輸出 一 0kHz 的脈沖信號 經(jīng)過三極管 T 放大 驅動超聲波發(fā)射頭 UCM40T 發(fā)出 40kHz 的 脈沖超聲波 且持續(xù)發(fā)射 200ms 右側和左側測距電路的輸入端分別接 P1 1 和 P1 2 端口 工作原理與前方測距電路相同 2 超聲波的接收與處理 超聲波的接收與處理 接收頭采用與發(fā)射頭配對的 UCM40R 將超聲波調制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?經(jīng)運 算放大器 IC1A 和 IC1B 兩極放大后加至 IC2 IC2 是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊 LM567 內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率 f0 1 1 1R8C3 電容 C4 決定其鎖定帶寬 調節(jié) R8 在發(fā)射的載頻上 則 LM567 輸入信號大于 25mV 輸出端 8 腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?作為中斷請求信號 送至單片機處理 前方測距電路的輸出端接單片機 INT0 端口 中斷優(yōu)先級最高 左 右測距電路的輸出通 過與門 IC3A 的輸出接單片機 INT1 端口 同時單片機 P1 3 和 P1 4 接到 IC3A 的輸入端 中斷源的識別由程序查詢來處理 中斷優(yōu)先級為先右后左 部分源程序如下 receive1 push psw push acc clr ex1 關外部中斷 1 jnb p1 1 right P1 1 引腳為 0 轉至右測距電路中斷服務程序 jnb p1 2 left P1 2 引腳為 0 轉至左測距電路中斷服務程序 return SETB EX1 開外部中斷 1 pop acc pop psw reti right 右測距電路中斷服務程序入口 ajmp return left 左測距電路中斷服務程序入口 ajmp return 3 計算超聲波傳播時間 計算超聲波傳播時間 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 當收到超聲波反射波時 接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變 在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個中斷請求信號 單片機響應外部中斷請求 執(zhí)行外部中斷服務 子程序 讀取時間差 計算距離 其部分源程序如下 RECEIVE0 PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 關外部中斷 0 MOV R7 TH0 讀取時間值 MOV R6 TL0 CLR C MOV A R6 SUBB A 0BBH 計算時間差 MOV 31H A 存儲結果 MOV A R7 SUBB A 3CH MOV 30H A SETB EX0 開外部中斷 0 POP ACC POP PSW RETI 三 超聲波測距系統(tǒng)的軟件設計三 超聲波測距系統(tǒng)的軟件設計 軟件分為兩部分 主程序和中斷服務程序 如圖 3 a b c 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 定時中斷服務子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射 外部中斷服務子程序主要完成時間值 的讀取 距離計算 結果的輸出等工