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技術(shù)文章
高精度超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計
作者:admin 發(fā)布時間:2015/11/20 14:48:50 瀏覽次數(shù):2845
介紹了利用超聲波傳感器實現(xiàn)無接觸式空氣瀏距的原理和硬件組成，并充分考慮到瀏全環(huán)境滋度對超聲波傳遞速度的影響，通過沮度補償?shù)姆椒▽鬟f速度予以校正，而且可以馬上檢瀏聲波在現(xiàn)場的傳接速度并校采納，因此具有非常高的瀏全精度，能實時地將瀏1數(shù)據(jù)上傳給pc機，具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可金、瀏貴誤差小等特點，現(xiàn)該產(chǎn)品已經(jīng)被上海造紙機械電控技術(shù)研究所用于造紙設(shè)備復(fù)卷機的旋轉(zhuǎn)棍位移檢瀏上，實戲證明達到了各項指標的要求。
超聲波是由機械振動產(chǎn)生的，可在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播。由于超聲波指向性強，能童消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測t，如測距儀和物位測t儀等都可以通過來實現(xiàn)。超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比，如電磁的或光學的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測t、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準確度也較其它方法為高;而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠等特點，檢測比較迅速、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。
1超聲波傳感器
1.1超聲波發(fā)生器
為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上可以分為兩大類: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。
1.2壓電式超聲波發(fā)生器原理
是借助壓電晶體的諧振來工作，即陶瓷的壓電效應(yīng)。超聲波傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板。當它的兩電極加脈沖信號必發(fā)脈沖)，若其頻率等于晶片的固有頻率時，壓電晶片就會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，從而產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當共振板接收到回波信號時，將壓迫兩壓電晶片振動，從而將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，此時的傳感器就成了超聲波接收器。
2超聲波測距原理
超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限;聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本儀器采用超聲波渡越時間檢測法。其原理為:槍測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間，即渡越時間。渡越時間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。
超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時單片機開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到庫礙物就立即返回來，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隨溫度變化，其對應(yīng)值如表1，根據(jù)計時器記錄的時間，，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離問，即:s=vrl2a
3硬件模塊的實現(xiàn)及工作原理
本系統(tǒng)由單片機at89c2051控制，包括發(fā)射電路，接收放大，檢波，整形和顯示幾部分電路組成，如圖1
3.1超聲波發(fā)射電路
發(fā)射電路如圖2，信號由單片機at89c2051的兩個定時/計數(shù)口to(p3.4)和t1(p3.5)正負交替發(fā)出一連申40kh:脈沖波。由t_-ljf,得f-25ue，所以發(fā)射的脈沖波正負分別是12u和13u。當to為高電平，t1為低電平時，上半部分電路工作，下半部分電路不導通，信號經(jīng)三極管放大后，驅(qū)動變壓器翰出低電平信號，同理，當鈞為高電平，t1為低電平時，變壓器物出高電平信號，這樣，通過'po,t1的正負交替，發(fā)射電路發(fā)射出一連申40khz超聲波。發(fā)射波形圖如圖3。這里要注意一點:在'ib,tl都是低電平時，會有一個中間狀態(tài)，應(yīng)避免翰出燒壞三極管。
3.2妞聲波接收放大電路
由于反射回來的超聲波信號非?；杖?，所以接收電路需要將其進行放大。接收電路如圖4。接收到的信號先經(jīng)102電容藕合，然后加到運算放大器ne5532上進行兩級放大。第一級放大倍數(shù)為rr5/rr2，為16倍，第二級放大倍數(shù)為15倍，兩級放大的同相端都加了一個比較電壓2.5v和一個104電容，其目的是為了去掉電像和反射信號共同作用的小毛刺紋波電壓。
這里運算放大器采用nfs532不僅是因為其噪聲低，頻帶寬，還因為與同類運放相比其共模抑制比kcmr=100db較大，電源電壓抑制比ksvr_100db較小.翰人偏t電壓vios--0.sma較小，輸人偏里電流iios=1oma較小，因而工作性能較好，并且價格不貴.易于做成產(chǎn)品推廣。
3.3檢波電路
放大的信號通過檢波電路得到解調(diào)后的信號，即把多個脈沖波解調(diào)成多個大脈沖波。這里使用的是in60檢波二極管，它的高頻特性很好，輸出的直流信號即兩二極管之間電容電壓，為檢波前信號，。為檢波后信號。
由于發(fā)射的超聲波有部分可能未經(jīng)反射就直接到超聲波接收端，導致側(cè)盆錯誤，這里ka的作用就是為了屏蔽未經(jīng)反射的干擾信號。本系統(tǒng)通過單片機對ke的控制來控制檢波電路工作，ks端為低電平，電路相當于開路，則檢波電路不工作;ke為高電平，則檢波電路工作。程序通過對ks端高低電平的控制來控制檢波電路的工作，從而控制整個接收電路。在信號發(fā)射后，延時一定的時間，開耘，檢波電路開始工作，這樣有效避免了因未經(jīng)反射的信號引起的測童誤差。
3.4比較整形電路
如圖6，該電路是用來把反射信號轉(zhuǎn)換為標準電平信號，通過整形把檢波后得到的不標準的脈沖波整形為標準脈沖波。在這里是通過使用lm324中的一個運放用做比較器來實現(xiàn)的。檢波器得到如圖7信號a，通過運放和一門限電壓比較得到如圖7信號b，這里門限電壓是用來去除檢波后的背景噪聲電壓。整形后的信號送到單片機n刊，inti口請求中斷。
在比較電路前加了一個電壓跟隨器，目的是減小干擾。采用兩個中斷口的目的是為了把側(cè)f遠近分開，使得測盆準確度提高。因為近距離側(cè)f.反射波衰減少，控制ks延遲時間也應(yīng)相應(yīng)減小，而遠距離測t反射波衰減大，控制ke延遲時間也要相應(yīng)增大，所以，為了使遠近測t分開，本系統(tǒng)采用程序控制，當檢測到是近距離測f時，選用1口對應(yīng)的比較電路;反之，選用inti口對應(yīng)的比較電路。
3.5顯示電路
本系統(tǒng)采用四位一體led數(shù)碼管顯示所測距離值，如圖8。本系統(tǒng)采用七段譯碼器74hc373作為驅(qū)動，外接升壓電阻。數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示，好處是對cpu的uo口要求較少，但對電路的干擾較大，注意pcb板的布線和對接收放大電源的穩(wěn)定性要進行爭嗜處理，否則對其影響很大。這里使用的是共陰極的數(shù)碼管，顯示電平使用高電平有效。
4修正誤差
超聲波在發(fā)射接收時，有部分超聲波可能沒有經(jīng)過被側(cè)物體反射直接到接收端，導致測f有誤，為避免這種錯誤，本系統(tǒng)通過對單片機所接耘端編程實現(xiàn)。l}開始處于高電平，這時電路不接收信號，延時3。后變?yōu)榈碗娖?，此時才開始接收信號，也就是通過延時遵免了這種錯誤。波形圖如圖9,a為檢波調(diào)整后的輸出信號;;b為在l}作用下的處理信號;c為單片機發(fā)出的抑制信號;d為最終送給單片機的信號。當檢波電路收到第一個脈沖信號調(diào)整電路的翰出由于信號c低電平(持續(xù)時間1.sme的存在而不能被單片機接收。
超聲波在空氣中傳播的速度受溫度影響，如表1，為得到比較精確的測盆結(jié)果，通過采用溫度補償?shù)姆椒▽崿F(xiàn)。即采溫度傳感器(這里用ds1820，該溫度傳感器自帶ad轉(zhuǎn)換，可直接使用)測得環(huán)境溫度，通過軟件編程查表的方法得出超聲波傳播實際速度.再由單片機計算出距離。
5軟件設(shè)計
軟件程序上是依據(jù)發(fā)射一個超聲波脈沖信號后收到物體反射回的脈沖信號通過計數(shù)器產(chǎn)生中斷完成數(shù)據(jù)換算來得到側(cè)t的數(shù)據(jù)，同時led顯示部分平行執(zhí)行。以上各段程序?qū)⒈恢貜?fù)執(zhí)行。以下是完整的測t時序。
5.1程序流程圈
軟件設(shè)計主要分為兩大部分:主程序和服務(wù)子程序，服務(wù)子程序包括接收.顯示，發(fā)射子程序。
5.1.1超聲波發(fā)射周期定時器(timero)
發(fā)射超聲波的周期是依靠timero來控制的，因為它是16位的定時i計數(shù)器(65535)，在使用12mhz的晶振時，由于t-llf--1爪12x1061奪lus，則一個機器周期是lus，計數(shù)器每65me計數(shù)器滋出。
5.1.2超聲波接收周期定時器(timeri)
timer1是用來計算脈沖往返數(shù)值的，在其初始化階段應(yīng)先里零。
5.1.3i,ed顯示周期控制
顯示周期設(shè)為2ma，每次在執(zhí)行接收數(shù)據(jù)中斷后被重新設(shè)里顯示數(shù)據(jù)，并逐位顯示。
6結(jié)論
本系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，修改程序，達到了很好的效果，其主要特點如下:
(1)電源電壓范圍大，耗電f低，整體工作電源為6v直流電源時，側(cè)得的電流僅為26mao
(2)距離側(cè)t穩(wěn)定，不漂移，能根據(jù)現(xiàn)場溫度適時地修正超聲波在空氣中的速度。
(3)距離精度極高:在3.0米范圍內(nèi)，測距儀和被測面都穩(wěn)定的情況下，分辨率可達++/-1mmo
(4)超聲波速度自動校正:聲速因空氣沮度、濕度、大氣壓力等因素的變化而變化，本測距系統(tǒng)能將現(xiàn)場實際的超聲波速度(以1000cnm為標準距離)側(cè)f并讀取存人內(nèi)存作為側(cè)f基準，提高各種場合下的測t精度。
(5)度范圍:0℃一+12590，分辨率:o.mo
由于具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、側(cè)f誤差小，數(shù)值稼定等特點，并且能實時地將測f數(shù)據(jù)上傳給pc機，現(xiàn)該系統(tǒng)已經(jīng)被上海造紙機械電控技術(shù)研究所采用，已用于造紙設(shè)備的復(fù)卷機的旋轉(zhuǎn)輥的位移檢測上。
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