基于超聲波傳感器的測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、南湖學(xué)院工程測試技術(shù)基礎(chǔ)題 目： 基于超聲波傳感器的測距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系 部： 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級：姓 名： 學(xué) 號：2010年 6月 24日基于超聲波傳感器的測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)【摘要】超聲波以其信息處理簡單、價(jià)格低廉、硬件容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作測距傳感器。論文在分析可行性、可靠性的基礎(chǔ)上，參照工程設(shè)計(jì)方法，確立了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的思路。本文設(shè)計(jì)了一套超聲波檢測系統(tǒng)。本超聲波測距系統(tǒng)選用了SensComp公司生產(chǎn)的Polaroid 6500系列超聲波距離模塊和600系列傳感器，微處理器采用了ATMEL公司的AT89C51，它根據(jù)超聲波在空氣中傳播的反射原理, 以超聲波傳感器為接口部件

2、, 應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)和超聲波在空氣中的時(shí)間差來測量距離。該系統(tǒng)主要由主控制器模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊和顯示模塊等四個(gè)模塊構(gòu)成。設(shè)計(jì)利用51單片機(jī)系統(tǒng)的I/O口，使超聲波傳感器發(fā)出40KHz的超聲波，反射回來的超聲波信號，經(jīng)過放大和整形電路進(jìn)入單片機(jī)，比較調(diào)試后確定其對應(yīng)的距離，完成測距。采用硬件電路和軟件控制相結(jié)合，電路結(jié)構(gòu)簡單，低成本，操作方便，工作穩(wěn)定，測量精度高，可實(shí)現(xiàn)3米內(nèi)測距，盲區(qū)7厘米，具有LCD顯示功能。【關(guān)鍵詞】 超聲波 傳感器 測距 程序 單片機(jī)1. 超聲波傳感器的基本概念超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶

3、片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。它的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，使用前

4、必須預(yù)先了解它的性能。2. 超聲波測距原理為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w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(jī)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(dòng)型等；機(jī)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)生器超聲波測距通常采用度越時(shí)間法,即利用s=vt/2計(jì)算被測物體的距離。式中s為收發(fā)頭與被測物體之間的距離, v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度(v = 331. 41+T/273m/s),t為超聲波的往返時(shí)間間隔。工作原理為:發(fā)

5、射頭發(fā)出的超聲波以速度v在空氣中傳播,在到達(dá)被測物體時(shí)被其表面反射返回,由接收頭接收,其往返時(shí)間為t,由s算出被測物體的距離。T為環(huán)境溫度,在量精度要求高的場合必須考慮此影響,但在一般情況下,可舍去此法,由軟件進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償。由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與溫度有關(guān)，附表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。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時(shí)間，就可以求出距離。這就是超聲波測距原理。表1 溫度與聲速的關(guān)系3. 本系統(tǒng)超聲波傳感器及其測距原理超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波1。為了以超聲波作為

6、檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)1的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）2。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即4.硬件電路設(shè)計(jì)我們設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(tǒng)由Polaroid 600系列傳感器

7、、Polaroid 6500系列超聲波距離模塊和AT89C51單片機(jī)構(gòu)成。4.1. Polaroid 600系列傳感器此超聲波傳感器是集發(fā)送與接收一體的一種傳感器。傳感器里面有一個(gè)圓形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一層金屬薄膜，在其背面有一個(gè)鋁制的后板。薄片和后板構(gòu)成了一個(gè)電容器，當(dāng)給薄片加上頻率為49.4kHz、電壓為300VAC pk-pk的方波電壓時(shí)，薄片以同樣的頻率震動(dòng)，從而產(chǎn)生頻率為49.4kHz的超聲波。當(dāng)接收回波時(shí)，Polaroid 6500內(nèi)有一個(gè)調(diào)諧電路，使得只有頻率接近49.4kHz的信號才能被接收，而其它頻率的信號則被過濾。Polaroid 600超聲傳感器發(fā)送的

8、超聲波具有角度為30度的波束角3，如圖1所示：超聲波傳感器既可以作為發(fā)射器又可以作為接收器，傳感器用一段時(shí)間發(fā)射一串超聲波束，只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動(dòng)接收，設(shè)發(fā)送波束的時(shí)間為D，則在D時(shí)間內(nèi)從物體反射回的信號就無法捕捉；另外，超聲波傳感器有一定的慣性，發(fā)送結(jié)束后還留有一定的余振，這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號，擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號的工作。因此，在余振未消失以前，還不能啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行回波接收，以上兩個(gè)原因造成了超聲傳感器具有測量一定的測量范圍。此超聲波最近可以測量37cm。4.2. Polaroid 6500系列超聲波距離模塊Polaroid 6500系列超聲波距離模塊的硬件電路如圖2所示：T

9、L851是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的數(shù)字12步測距控制集成電路。內(nèi)部有一個(gè)420KHz的陶瓷晶振，6500系列超聲波距離模塊開始工作時(shí)，在發(fā)送的前16個(gè)周期，陶瓷晶振被8.5分頻，形成49.4KHz的超聲波信號，然后通過三極管Q1和變壓器T1輸送至超聲波傳感器。發(fā)送之后陶瓷晶振被4.5分頻，以供單片機(jī)定時(shí)用。TL852是專門為接收超聲波而設(shè)計(jì)的芯片。因?yàn)榉祷氐某暡ㄐ盘柋容^微弱，需要進(jìn)行放大才能被單片機(jī)接收，TL852主要提供了放大電路，當(dāng)TL852接收到4個(gè)脈沖信號時(shí)，就通過REC給TL851發(fā)送高電平表明超聲波已經(jīng)接收。4.3. AT89C51單片機(jī)本系統(tǒng)采用AT89C51來實(shí)現(xiàn)對Polaroid 600

10、系列傳感器和Polaroid 6500系列超聲波距離模塊的控制。單片機(jī)通過P1.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。 超聲波測距的硬件示意圖如圖3所示：5. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示：工作時(shí)，微處理器AT89C51先把P1.0置0，啟動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器T0開始計(jì)時(shí)。由于我們采用的超聲波傳感器是收發(fā)一體的，所以在發(fā)送完16個(gè)脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返回信號識別消除超聲波傳感

11、器的發(fā)送信號，要檢測返回信號必須在啟動(dòng)發(fā)射信號后2.38ms才可以檢測，這樣就可以抑制輸出得干擾。當(dāng)超聲波信號碰到障礙物時(shí)信號立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)表明信號已經(jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時(shí)器。再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。6. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理由于受環(huán)境溫度、濕度的影響，超聲傳感器的測量值與實(shí)際值總有一些偏差，表1列出了本超聲測距系統(tǒng)測量值與對應(yīng)的實(shí)際值：表1超聲測距系統(tǒng)測量值與實(shí)際值 單位：cm從表中的數(shù)據(jù)可以看出，測量值總是比實(shí)際值大出大約7cm，經(jīng)過分析原因主要有三個(gè)方面：第一方面，超聲

12、波傳感器測得的數(shù)據(jù)受環(huán)境溫度的影響；第二方面，指令運(yùn)行需占用一定的時(shí)間而使得測量的數(shù)據(jù)偏大；第三方面，為了防止其他信號的干擾，單片機(jī)開始計(jì)數(shù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送16個(gè)脈沖串。對于單個(gè)回聲的方式，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路接收到碰到障礙物返回的第四個(gè)脈沖時(shí)就停止計(jì)數(shù)，所以最終測得的時(shí)間比實(shí)際距離所對應(yīng)的時(shí)間多出四個(gè)脈沖發(fā)送的時(shí)間。為了減小測量值與實(shí)際值的偏差，我們采用最小二乘法45對表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。經(jīng)過擬合，我們得到下面的方程：y=1.0145x-9.3354 （其中：y為實(shí)際值，x為測量值）修正后本超聲波測距系統(tǒng)測量值與實(shí)際值的對應(yīng)關(guān)系如表2所示：表2 修正后超聲測距系統(tǒng)測量值與實(shí)際值 單位：cm從修正后的數(shù)據(jù)我們可以看出，系統(tǒng)的測量誤差在±2%以內(nèi)，滿足我們的測量要求。7. 結(jié)論利用超聲波傳感器進(jìn)行測距，其中主要的就是要保證在電路設(shè)計(jì)上一定要滿足電路工作的可靠性、穩(wěn)定性。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)與分析，我們認(rèn)為用6500系列距離模塊和600系列超聲波傳感器進(jìn)行距離的測量簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠，測得數(shù)據(jù)的誤差比較小。8. 參考文獻(xiàn)：1 孫串友, 孫曉斌 編著.