超聲波測(cè)距原理

1、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卩，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 Ai，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 S,即.s = v C這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與溫度有尖，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，但其傳播速度卩易受空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影 響，其中受溫度

2、的影響較大，如溫度每升高1C,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)正是釆用了溫度補(bǔ)償?shù)?方法）。己知現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度 7 時(shí)，超聲波傳播速度 7的計(jì)算公式為：V = 331. 45 + 0. 607T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。聲速確定后，只表 1 聲速與溫度尖系表溫度（t）-30-20-100102030100聲速（米朋）313319325332338344349386基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)圖2超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)框圖基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀框圖如圖 2所示。該系統(tǒng)由單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生

3、40KHZ 的頻率信號(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)射超聲波岀第一個(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， 89C51通過(guò)外部引腳 Pl0輸出脈沖寬度為 250ns, 40kHz的 1

4、0個(gè)脈沖串通過(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。由于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用型和兼用型，專用型就是發(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，稱為可逆元件。圖3超聲波發(fā)射電路超聲傳感器結(jié)構(gòu)超

5、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（1-10.2） Lm,但這種振動(dòng)加速 度很大，約（10103）gn,于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)。其尖鍵技術(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

6、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 40KHz毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)放大、處理、用于觸發(fā) 單U1E40(59片機(jī)中斷 INTO。 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倍，另一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲎杩馆^大，這就需基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)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干擾信號(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公司的專用集成前 置放大器 CX20106達(dá)到了比較好的效果。CX201

7、06 由：前置放大器、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):單電源 5V 供電，電壓增益7779DB,輸入阻抗 27KQ，濾波器中心頻率 30 K- 60 KHzo 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、積分器等使得它抗干擾能力很強(qiáng)。CX20106采用 8 腳單列直插式塑料封裝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 4。超

8、聲波接收器能 將接受到的發(fā)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)百伏的電信號(hào)，送 到 CX20106的腳，CX20106 的總放大增益約為 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_外接的用、C 決定，用越小或 61 越大， 增益越高。61取值過(guò)大時(shí)將造成頻率響應(yīng)變差，通常取為 luf。62 為檢波電容，一般 取 3.3ufoCX20106采用峰值檢波方式，當(dāng) 62 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，62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。尼為帶通濾波器中心

9、頻 率/0 的外部電阻，改變尼阻值，可改變載波信號(hào)的 接受頻率，當(dāng)/0 偏離載波頻率時(shí)， 放大增益會(huì)顯著下降，63為積分電容，一般取 330pf,取值過(guò)大，雖然可使抗干擾能力 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。8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 VI導(dǎo)通，+5V電源通過(guò)繼電器線圈和 VI的發(fā)射結(jié)到地，使繼電器 K1 接通，R2和 R3并聯(lián)組成 5Q電阻通過(guò) C1 組成 RC 電路，控制紅外接收專用集成電路

10、 CX20106 的增益，使其 7 腳輸出一定幅度的電壓信號(hào)到 89C51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。JTn234曲a:&opF :前覽好醜幅放太通帶桂蜂值灣刃積分比a syy俎67*5V8距離顯示電路圖6顯示電揺超聲波顯示電路如圖 6所示。是利用單片機(jī)的串行輸出。只用單片機(jī)的 TXD,RXD端即可顯示數(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)的主程序處于鍵控循環(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)

11、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軟件程序框圖外部中斷入卩矢外部中斷”讀取時(shí)間值心計(jì)算距離“結(jié)果輸出u開(kāi)外部中斷“返回卩外部中斷服務(wù)子程序#iiiclude#iiiclude/*定義數(shù)據(jù)類型匕#defiiie uint unsigned mt#defiiie uchar unsigned chai/*定義系統(tǒng)常數(shù)blong int time; /*時(shí)間 */bit CLflag; /*測(cè)量標(biāo)志 */chai cshu;/* 串?dāng)?shù) */嚴(yán)定時(shí)器設(shè)初值T= (256-T12us) *12/12MHZ */*定義功能位，串口用于顯示匕sbit VOLCK=P 1.0;/

12、* 發(fā)射/sbitMING=P3.2;/*外部中斷0檢測(cè)接收信號(hào)*/chai idata disp9;/* 顯示數(shù)據(jù) */chai idata number9; / *顯示數(shù)據(jù) */chai code table = 0 x03,0 x9f,0 x25,OxOd,0 x99,0 x49,0 x41,0 x 1 0 x01,0 x09;/* *馬表0J,2,3,4,5,6,7,&9*/void dispfbQ /*顯示5位數(shù)據(jù) */ char i;fbr(i=O;i5;i+)#defiiie T12us (256-12)disp i=table numberi ; disp3=disp+

13、1；/*置小數(shù)點(diǎn)bfbr(i=O;i6;i卄)SBUF=dispi; wlule(TI=0); TI=0;F通用延時(shí)子程序*/void delay( intj) mt i; fbr(i=O;ij;) i+; /*初始化定時(shí)器CTCO、CTC1用于定時(shí)*/void init_CTC(void)TMOD = Ox21;/* 設(shè)CTC1工作于模式2*/ETO = 0;/ *不允許CTCO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=0 x01;/*置外部中斷INTO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 serveN

14、TO() iiitenupt 0/*外部中斷0,用于檢測(cè)接收信號(hào)*/TR0=0;/*矢閉定時(shí)器0*/ EX0=0;/* 尖中斷 */tune=(long)TLO;tune+=(long)TH0*256;CLflag=l;/* CTC1中斷服務(wù)程序，12.5us中斷一次，用于發(fā)射*/void CTC1JNT () iiiternipt 3 VOLCK=VOLCK;cshu-H-；void CTC0_INT () intermpt 1TR0=0:ET0=0;wlule(l)key=getkey( if(kev=0 x0feTLl=T12us;THl=T12us;TLO = 0; THO = 0;/

15、*定時(shí)器0的初始時(shí)間*/TR0=l;/*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;vhile(cshu4;i一)dispi=Oxff;cshu=O;/* 傳數(shù)* /delav(200);嚴(yán)延時(shí)* / ；IE=0 x80;/* 開(kāi)中斷 */ET1=O;ET0=0;TRl=0;TR0=0;TLI=T12us; THl=T12us;kev=0;cshu=O;CLflag=0;)；/*讀鍵盤*/& CLflag=l)/*測(cè)量*/ET1=O;/*發(fā)十個(gè)脈沖串*/TR1=O;delay(95);EXO=1;vlule(!CLflag);if( cshu=

16、10 & CLflag= 1) Tiinetojuli();dispfbQ;uchai getkey()char flag;uchai key, keytemp;flag=0;keytemp=Pl;if(keytemp=Oxff) retuni(2 55); else flag=l； delay(lOO);kev=Pl ；Jzif(key=keytemp) return(key);else retuni(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??；小于 20cm范圍內(nèi)誤差較大，這是因?yàn)槌暡ň嚯x測(cè)量存

17、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)己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。300cm以后的數(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，引入了一些干擾因素。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/cm20.030.040.050.060.070.090.0100.0測(cè)量結(jié)果/cm19313951606988100誤差53.332.5201.432. 220實(shí)際距離/ cm130.0150.0200.0220.0240.0260.0280.0

18、300.0測(cè)量結(jié)果/cm126147195221235251270312誤差3. 0822.50. 452. 083.463.574表2測(cè)距儀實(shí)測(cè)結(jié)果結(jié)束語(yǔ)本系統(tǒng)利用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式空氣測(cè)距，沒(méi)有考慮環(huán)境溫度對(duì)超聲波傳 遞速度的影響，故本系統(tǒng)在常溫下具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快等特 點(diǎn)，可適用于各種水文液位測(cè)量、障礙物的識(shí)別以及車輛自動(dòng)導(dǎo)航等領(lǐng)域，因此具有廣 闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1馬忠梅，等單片機(jī)的c語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì).北京航天航空大學(xué)出版社,2001年2劉瑞星，等.單片機(jī)原理及應(yīng)用教程.機(jī)械工業(yè)出版社,2006年3趙珂，等.高準(zhǔn)確度超聲波測(cè)距儀的研制傳感器技術(shù)，2003年第22卷第2期藏日章 基于AT89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)電氣時(shí)