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文檔簡介
1、時差法超聲測距儀的研制 摘要:微電腦超聲測距儀由AT89C2051單片機、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收放大電路、環(huán)境溫度采集電路及顯示電路組成。該測距儀具有集成度高、反應(yīng)速度快,測量精度高、性能價格比高等特點。文中主要介紹了脈沖回波法的超聲空氣測距原理及其系統(tǒng)構(gòu)成。 關(guān)鍵詞:單片機;超聲波;測距引言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,具有定向性好、能量集中、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強等優(yōu)點。超聲波傳感器可廣泛應(yīng)用于非接觸式檢測方法,它不受光線、被測物
2、顏色等影響,對惡劣的工作環(huán)境具有一定的適應(yīng)能力,因此在水文液位測量、車輛自動導(dǎo)航、物體識別等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文著重介紹脈沖回波法的超聲空氣測距原理及系統(tǒng)構(gòu)成。圖1工作原理超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波,從而測出發(fā)射和接收回波的時間差,然后求出距離。在速度已知的情況下,距離的計算,公式如下:在空氣中,常溫下超聲波的傳播速度是米秒,但其傳播速度易受空氣中溫度、濕度、壓強等因素的影響,其中受溫度的影響較大,如溫度每升高,聲速增加約米秒。因此在測距精度要求很高的情況下,應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒▽鞑ニ俣燃右孕UR阎F(xiàn)場環(huán)境溫度時,超聲波傳播速度的計算公式如下:這樣,只要
3、測得超聲波發(fā)射和接收回波的時間差以及現(xiàn)場環(huán)境溫度,就可以精確計算出發(fā)射點到障礙物之間的距離。圖2 微電腦超聲測距儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。該系統(tǒng)由單片機、超聲波發(fā)射電路、接收放大電路、環(huán)境溫度采集電路及顯示電路組成。單片機是整個系統(tǒng)的核心部件,用來協(xié)調(diào)各部件的工作。先由單片機控制的振蕩源產(chǎn)生的頻率信號以驅(qū)動超聲波傳感器,它每次發(fā)射個脈沖。當?shù)谝粋€超聲波脈沖發(fā)射后,計數(shù)器開始計數(shù),在檢測到第一個回波脈沖的瞬間,計數(shù)器停止計數(shù),這樣就能夠得到從發(fā)射到接收的時間差;同時溫度采集電路也將現(xiàn)場環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集到單片機中,以在計算距離時對超聲波傳播速度進行修正。根據(jù)所采
4、集到的數(shù)據(jù)最終利用單片機計算出被測距離,并由顯示器顯示出來。 單片機與各部分電路的接口本系統(tǒng)以單片機為核心來實現(xiàn)對各部分電路的控制和響應(yīng)。在進行硬件設(shè)計時,的串行口、分別與顯示電路的和相連,構(gòu)成串行靜態(tài)顯示電路;定時記數(shù)器與轉(zhuǎn)換器的輸出端相連,實現(xiàn)頻率采集功能;與多諧振蕩器的控制端相連,可通過軟件使口輸出高電平或低電平,從而控制超聲波的發(fā)射;通過一個開關(guān)二極管與比較器的基準電壓產(chǎn)生電路控制端連接,發(fā)射超聲波時置 為“”;口連接比較器的輸出端,這樣,通過掃描口就可以判斷是否接收到回波。 超聲波發(fā)射及驅(qū)動電路超聲波發(fā)射及驅(qū)動電路如圖所示,由與非門組成的多諧振蕩器產(chǎn)生的振蕩源,為了控制振蕩的產(chǎn)生或者
5、停止,把第一個門的一個輸入端作為控制端,當“”時,振蕩停止;“”時,產(chǎn)生振蕩。將端與單片機的口連接后,就可通過微處理器來控制超聲波的發(fā)射。需要注意的是,控制脈沖的頻率(口高、低電平的變化頻率)必須遠低于多諧振蕩器的振蕩頻率。該電路的振蕩周期可由以下公式得出:由于超聲波的傳播距離與它的振幅成正比,為了使測距范圍足夠遠,可對振蕩信號進行功率放大后再加在超聲波傳感器上。本電路采用組成驅(qū)動電路可將振蕩信號的幅度放大一倍,從而增加了超聲波的傳播距離,擴大了測距范圍。圖3 為防止絕緣電阻下降導(dǎo)致超聲波傳感器轉(zhuǎn)換性能變壞,不能長時間的對傳感器施加直流電壓。因此在電路中串入
6、一個耦合電容,通過它可以將直流電壓轉(zhuǎn)換為等幅的交流電壓,從而保證測距儀能夠長時間可靠、穩(wěn)定的工作。 超聲波接收及過零檢測電路超聲波接收及過零檢測電路原理圖如圖所示。由于超聲波在空氣中傳播時,其能量的衰減程度與傳播距離成正比,所以超聲波傳感器接收信號一般在之間。為了便于使用,接收電路要提供倍以上的放大增益。此外,接收傳感器輸出的是正弦波信號,這就需要設(shè)計交流放大電路。本系統(tǒng)選用兩片組成兩級放大電路,對接收到的超聲波信號進行放大處理。信號經(jīng)過放大以后,輸入的正端并與基準電壓相比較,使的輸出端(與單片機的口連接)輸出高電平,單片機接收到回波后立即停止記時。在單片機控制超聲波發(fā)射(置“”)的同時,輸出
7、一個高電平,給電容充電,并經(jīng)一串聯(lián)分壓網(wǎng)絡(luò)將該電壓輸出到比較器的負端,這樣可以有效抑制由于超聲波發(fā)射器發(fā)射的超聲波直接輻射到接收器而導(dǎo)致的比較器誤反轉(zhuǎn),從而得到錯誤檢測信號。發(fā)射結(jié)束后口由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平,比較器的負端也為低電平,若的輸出端為高電平,則表明已接收到回波信號。 溫度采集及轉(zhuǎn)換電路溫度采樣電路部分包括測溫電橋、放大電路和轉(zhuǎn)換電路。其中轉(zhuǎn)換電路原理如圖所示。測溫電橋采用鉑熱電阻做為溫度傳感器。經(jīng)取樣電橋采樣后,將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號,再經(jīng)放大后接入由組成的轉(zhuǎn)換電路。該電路轉(zhuǎn)換精度高,數(shù)字分辨率可達位。由公式() 可知,電阻、和電容直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果,因此對元件的精度要有一定的要求。
8、電容對轉(zhuǎn)換結(jié)果雖然沒有直接的影響,但應(yīng)選擇漏電流小的電容器。電阻和電容組成低通濾波器,可減少輸入電壓中的干擾脈沖,有利于提高轉(zhuǎn)換精度。軟件設(shè)計由于超聲發(fā)射傳感器與超聲接收傳感器相隔很近,當發(fā)射超聲波時,接收傳感器會收到很強的干擾信號。為防止系統(tǒng)的誤測,在軟件上采用延遲接收技術(shù),來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。一旦按下起始鍵,即發(fā)送發(fā)射超聲波的指令,同時單片機控制系統(tǒng)開始執(zhí)行程序,完成對溫度的采樣、濾波,然后獲得發(fā)送、接收超聲波的時間間隔,最后計算出距離值。本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計,由主程序、測距子程序、測溫子程序、顯示子程序等主要模塊組成。主程序框圖如圖所示。 結(jié)束語超聲測距儀系統(tǒng)利用超聲波傳感器實現(xiàn)無
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