超聲波傳感器測(cè)距原理

1、基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)第13頁(yè)共12頁(yè)一、超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距原理是通過(guò)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(kāi)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(lái)，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：S = v t / 2這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。由丁超聲波也是一種聲波,其聲速 斫溫度有關(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

2、溫度、濕度、壓強(qiáng)等因 素的影響，其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1 C ,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(guò)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?。已知現(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：V = 331.45 + 0.607T速確定后,只表1聲速與溫度關(guān)系表溫度（C）-30- 20-100102030100聲速 （米渺）313 !319325 i3323383441 349386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。二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)圖2超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)框圖基丁單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀框圖如圖 2所示。該系統(tǒng)由

3、單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生 40KHZ勺頻率信號(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(guò)程：開(kāi)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(kāi)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(lái)。下面分別介紹各部分電路：1、超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路如圖3所示，89051®過(guò)外部引腳P1.0輸出脈沖寬度為2

4、50s , 40kHz的10個(gè)脈沖申通過(guò)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。由丁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)行功率放大后再加在超聲波傳感器上。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(zhuān)用型和兼用型，專(zhuān)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(chēng)為可逆元件。U1 E40694

5、069圖3超聲波發(fā)射電路超聲傳感器結(jié)構(gòu)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 電組件在超聲振蕩時(shí)，仿佛是一個(gè)小活塞，其振幅很小，約為(110. 2) Lm，但這種振動(dòng)加速度很大,約(10103 ) g n , 丁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(lái)。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(guò)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

6、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2、超聲波接收電路超聲波接收及信號(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)換為40KH此伏級(jí)的電壓信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)放大、處理、用丁觸發(fā)單片機(jī)中斷INT0O 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音，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(wèn)題：高輸入阻抗容易接 收十?dāng)_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司的專(zhuān)用集成前置放大器CX20106S到了比較好的效果。CX2010圳：前置

7、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)放大器有較高的增益 ，在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí) 放大器不會(huì)過(guò)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)：?jiǎn)坞娫?俶電，電壓增益77 - 79DB ,輸入阻抗27 KQ ,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、積分器等使得它抗十?dāng)_能力很強(qiáng)。CX2010猥用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)

8、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)白伏的電信號(hào)，送到CX20106勺腳，CX20106勺總放大增益約為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)?？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(guò)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

9、載波信號(hào)的 接受頻率，當(dāng)f 0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(guò)大，雖然可使抗十?dāng)_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(zhǎng)，造成遙控距離變短。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。圖4 CX20106內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)中應(yīng)用的接收電路見(jiàn)圖5 ,當(dāng)89C51的P1.7為高電平時(shí)三級(jí)管V1導(dǎo) 通，+5如源通過(guò)繼電器線圈和V1的發(fā)射結(jié)到地，使繼電器K1接通，R曾"R聽(tīng)聯(lián) 組成5Q電阻通過(guò)C1ffl成R(fe路，控制紅外接收專(zhuān)用集成電路CX20106勺增益，使 其7腳輸出一定幅度的電壓信號(hào)到8

10、9C51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。圖5超聲波接收電路3、距離顯示電路圖6顯示電路超聲波顯示電路如圖6所示。是利用單片機(jī)的申行輸出。只用單片機(jī)的 TXDRXD!即可顯示數(shù)字。三、軟件程序設(shè)計(jì)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)的主程序處丁鍵控循環(huán)工作 方式，當(dāng)按下測(cè)量鍵時(shí)，主程序開(kāi)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(lái)。圖8軟件程序框圖定時(shí)器中斷子程序外部中斷入口卜關(guān)外郭中斷/詼取時(shí)間值卜 1計(jì)廓浦結(jié)果輸出中開(kāi)外部中

11、斷卜返回偵liJ外部中斷服務(wù)子程序四、具體程序#include<reg51.h>#include<math.h>/*定義數(shù)據(jù)類(lèi)型*/#define uint unsigned int#define uchar unsigned char/*定義系統(tǒng)常數(shù)*/long int time;/*時(shí)間 */bit CLflag;/*測(cè)量標(biāo)志*/char cshu;/*串?dāng)?shù)*/#define T12us(256-12)/*定時(shí)器設(shè)初值T= (256-T12us) *12/12MHZ*/*定義功能位，串口用于顯示*/sbit VOLCK=P1.0; /* 發(fā)射 */sbit MING

12、=P3.2; /*外部中斷0檢測(cè)接收信號(hào)*/char idata disp9;/*顯示數(shù)據(jù)*/char idata number9; /* 顯示數(shù)據(jù) */char code table =0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09;/* 碼表 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 */*/void dispfb() /* 顯示5位數(shù)據(jù) ( char i;for(i=0;i<5;i+)( dispi=tablenumberi; disp3=disp3+1;/*置小數(shù)點(diǎn)*/TI=0;for(i=0;i<6;i+)(SBUF=di

13、spi; while(TI=0);/* 通用延時(shí)子程序 */void delay( int j )( int i; for(i=0;i<j;) i+; /* 初始化定時(shí)器，CTC0、CTC1用于定時(shí) */ void init_CTC(void ) (TMOD = 0x21;/* 設(shè) CTC1 工作于模式 2 */ET0 = 0;/*不允許 CTC0中斷 */void init_INT( )/* 外部中斷初始化為高優(yōu)先級(jí)，并開(kāi)中斷*/( IP=0x01;/* 置外部中斷INT0優(yōu)先級(jí)為高*/TCON=0; /*設(shè)置外部中斷0的中斷方式為電平觸發(fā)*/void serve_INT0( ) in

14、terrupt 0(/*外部中斷0,用于檢測(cè)接收信號(hào) */TR0=0;/* 關(guān)閉定時(shí)器0 */EX0=0;/* 關(guān)中斷 */ time=(long)TL0;time+=(long)TH0*256;CLflag=1;/* CTC1中斷服務(wù)程序，12.5us中斷一次，用于發(fā)射 */void CTC1_INT () interrupt 3(VOLCK=VOLCK;cshu+;void CTC0_INT () interrupt 1(TR0=0;ET0=0;void Timetojuli( )/*將測(cè)量的時(shí)間轉(zhuǎn)換為距離*/(long i;i=(long)time;i=i*340;/*十米 */i=i/

15、2;number4=i/10000000;i=i-number4*10000000;number3=i/1000000;/* 米 */i=i-number3*1000000;number2=i/100000;/* 分米 */i=i-number2*100000;number1=i/10000;/* 厘米 */i=i-(long)number1*10000;number0=i/1000;/* 毫米 */uchar getkey( ); /* 讀鍵盤(pán) */*主程序*/void main()(int i, key;init_CTC();/* 初始化定時(shí)器 */init_INT();/*初始化外部中斷

16、*/CLflag=1;/* 測(cè)量標(biāo)志 */for(i=6;i>4;i-) dispi=0xff; cshu=0;/* 傳數(shù) */delay(200);/* 延時(shí) */;IE=0x80;/* 開(kāi)中斷 */ET1=0;ET0=0;TR1=0;TR0=0;TL1=T12us; TH1=T12us;while(1)(key=getkey( );/* 讀鍵盤(pán) */if(key=0x0fe&& CLflag=1 )/* 測(cè)量 */(key=0;CLflag=0;cshu=0;TL1=T12us; TH1=T12us;TL0 = 0; TH0 = 0;/* 定時(shí)器0的初始時(shí)間 */TR

17、0=1;/* 啟動(dòng)定時(shí)器0,開(kāi)始記時(shí)*/TR1=1;/*啟動(dòng)定時(shí)器1,發(fā)送信號(hào)*/ET1=1;while(cshu<12);ET1=0;/* 發(fā)十個(gè)脈沖串 */TR1=0;delay(95);EX0=1;while(!CLflag);if( cshu>=10 && CLflag=1) Timetojuli();dispfb();uchar getkey( )char flag;uchar key, keytemp;flag=0;keytemp=P1;if(keytemp=0xff) return(255);else flag=1;delay(100);key=P1;

18、if(key=keytemp) return(key);else return(255);五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析表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(jiàn)，在20150cm范圍內(nèi)誤差相對(duì)較?。恍∮?0cm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。300cn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，引入了一些十?dāng)_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。實(shí)際距離/cm20.030.040.050.060.070.090.010