基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的研究與設計
在日常生產生活中,很多場合如汽車倒車、機器人避障、工業(yè)測井、水庫液位測量等需要自動進行非接觸測距。超聲波是指頻率大于20 kHz的在彈性介質中產生的機械震蕩波,其具有指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離相對較遠等特點,因此常被用于非接觸測距。由于超聲波對光線、色彩和電磁場不敏感,因此超聲波測距對環(huán)境有較好的適應能力,此外超聲波測量在實時、精度、價格也能得到很好的折衷。
為此,文中嘗試以單片機AT89S52為核心,利用一對40 kHz壓電超聲傳感器設計一款體積較小、價格低廉、精度較高、具有溫度補償、實時LCD顯示和報警的超聲波測距儀。
1 超聲波測距原理
超聲波傳感器分機械方式和電氣方式兩類,它實際上是一種換能器,在發(fā)射端它把電能或機械能轉換成聲能,接收端則反之。本次設計超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電式超聲波換能器,它是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號,其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時,壓電晶片將會發(fā)生共振,并帶動共振板振動,產生超聲波。反之,如果兩電極間未外加電壓,當共振板接收到超聲波時,將壓迫壓電晶片作振動,將機械能轉換為電信號,就成為超聲波接收器。在超聲波電路中,發(fā)射端輸出一系列脈沖方波,脈沖寬度越大,輸出的個數越多,能量越大,所能測的距離也越遠。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結構上稍有不同,使用時應分清器件上的標志。
超聲波測距的方法有多種:如往返時間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法。本設計采用往返時間檢測法測距。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波,借助空氣媒質傳播,到達測量目標或障礙物后反射回來,經反射后由超聲波接收器接收脈沖,其所經歷的時間即往返時間,往返時間與超聲波傳播的路程的遠近有關。測試傳輸時間可以得出距離。
假定s為被測物體到測距儀之間的距離,測得的時間為t/s,超聲波傳播速度為v/m?s-1表示,則有關系式(1)
s=vt/2 (1)
在精度要求較高的情況下,需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響,按式(2)對超聲波傳播速度加以修正,以減小誤差。
v=331.4+0.607T (2)
式中,T為實際溫度單位為℃,v為超聲波在介質中的傳播速度單位為m/s。
2 系統(tǒng)總體設計方案
本系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、回波信號接收、溫度測量、顯示和報警、電源等硬件電路部分以及相應的軟件部分構成。系統(tǒng)原理框圖,如圖1所示。
整個系統(tǒng)由單片機AT89S52控制,超聲波傳感器采用收發(fā)分體式,分別是一支超聲波發(fā)射換能器TCT40-16T和一支超聲波接收換能器TCT40-16R。超聲波信號通過超聲波發(fā)射換能器發(fā)射至空氣中,遇被測物反射后回波被超聲波接收換能器接收。進行相關處理后,輸入單片機的INT0腳產生中斷,計算中間經歷的時間,同時再根據具體的溫度計算相應的聲速,根據式(2)就可得出相應的距離用來顯示,當然在一些場合也可根據需要,設置距離報警值。
3 硬件設計
3.1 超聲波發(fā)射部分
超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器TCT40-16T能向外界發(fā)出40 kHz左右的方波脈沖信號。40 kHz左右的方波脈沖信號的產生通常有兩種方法:采用硬件如由555振蕩產生或軟件如單片機軟件編程輸出,本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機P1.0端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號,由于單片機端口輸出功率不夠,40 kHz方波脈沖信號分成兩路,送給一個由74HC04組成的推挽式電路進行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠,滿足測量距離要求,最后送給超聲波發(fā)射換能器TCT40-16T以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路,如圖2所示。圖中輸出端上拉電阻R31,R32,一方面可以提高反向器74HC04輸出高電平的驅動能力,另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果,縮短其自由振蕩的時間。
3.2 超聲波接收部分
上述TCT40-16T發(fā)射的在空氣中傳播,遇到障礙物就會返回,超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器TCT40-16R進行轉換變成電信號,并對此電信號進行放大、濾波、整形等處理后,這里用索尼公司生產的集成芯片CX20106,得到一個負脈沖送給單片機的P3.2(INT0)引腳,以產生一個中斷。接收部分的電路,如圖3所示。
可以看到,集成芯片CX20106在接收部分電路中起了很大的作用。CX20106是一款應用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片,其具有功能強、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點,由于紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz比較接近,而且CX20106內部設置的濾波器中心頻率f0五可由其5腳外接電阻調節(jié),阻值越大中心頻率越低,范圍為30~60 kHz。故本次設計用它來做接收電路。CX20106內部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構成。工作過程如下:接收的回波信號先經過前置放大器和限幅放大器,將信號調整到合適幅值的矩形脈沖,由濾波器進行頻率選擇,濾除干擾信號,再經整形,送給輸出端7腳。當接收到與CX20106濾波器中心頻率相符的回波信號時,其輸出端7腳就輸出低電平,而輸出端7腳直接接到.AT89S52的INT0引腳上,以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差,可調節(jié)芯片引腳5的外接電阻R42,將濾波器的中心頻率設置在40 kHz,就可達到理想的效果。
評論