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標(biāo)題: 超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì) [打印本頁(yè)]

作者: dzdiy 時(shí)間: 2015-4-11 19:16
標(biāo)題: 超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)
測(cè)距技術(shù)在物位檢測(cè)、醫(yī)療探傷、汽車防撞等民用、工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，由于超聲波的速度相對(duì)于光速要小的多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測(cè)，并且易于定向發(fā)射，方向性好，發(fā)射強(qiáng)度好控制，且不受電磁干擾影響，因而利用超聲波測(cè)距是一種有效的非接觸式測(cè)距方法。但超聲波在不同環(huán)境溫度下傳播速度不同，如忽略溫度影響，將影響最終測(cè)量精度。本文介紹的超聲波測(cè)距儀采用渡越時(shí)間檢測(cè)法。制作好的實(shí)物如下圖。

1、系統(tǒng)工作原理
超聲波測(cè)距原理如圖1所示。

      式中c——超聲波波速：t——從發(fā)射出超聲波到接收到回波所用時(shí)間。
      限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法。
   由于超聲波屬于聲波范圍，其波速c與溫度有關(guān)，經(jīng)過(guò)測(cè)量得出超聲波的波速與溫度的關(guān)系，如表1所示。

   將測(cè)量的速度數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行一階擬合得出：
            c=331.6+0.6107xT (2)
   式中T——當(dāng)?shù)販囟取?br />    在測(cè)距時(shí)，可通過(guò)溫度傳感器自動(dòng)探測(cè)環(huán)境溫度、確定其時(shí)的波速c。波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間t，即可求得距離H，這樣能較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過(guò)的路程，提高了測(cè)量精確度。
   本設(shè)計(jì)方案中使用渡越時(shí)間檢測(cè)法，測(cè)距儀工作原理為：在由單片機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的同時(shí)，開(kāi)啟單片機(jī)中的計(jì)時(shí)器，開(kāi)始計(jì)時(shí)。發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波，在由接收探頭接收到第一回波的同時(shí)停止單片機(jī)計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)，由于超聲波在空氣中的速度已知，根據(jù)公式即可求得探頭與待測(cè)目標(biāo)之間的距離。而且，可以在較短時(shí)間內(nèi)多次發(fā)出超聲波測(cè)量，完成后計(jì)算平均值然后顯示。
   超聲波在相同的傳播媒體里(大氣條件)傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，但其頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短。考慮實(shí)際工程測(cè)量要求，在設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀時(shí)，選用頻率f=40kHz的超聲波，波長(zhǎng)為0．85cm。
   2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
   本系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)作為主控制器，使用3位數(shù)碼管作為系統(tǒng)顯示屏，超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)需要的40 kHz脈沖由單片機(jī)P0．0發(fā)出，使用定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)和控制，超聲波接收使用CX20106A作為接收主控芯片。超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 超聲波測(cè)距儀_系統(tǒng)原理圖

   2．1 超聲波發(fā)射、接收電路設(shè)計(jì)
   超聲波發(fā)送模塊是由超聲波發(fā)射探頭組成的，單片機(jī)的P0．0端口直接發(fā)送40 kHz的信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)壓電晶片超聲波換能器產(chǎn)生超聲波，超聲波發(fā)射電路如圖3左側(cè)電路所示。超聲波發(fā)射子程序的流程是，發(fā)射時(shí)首先裝填計(jì)時(shí)器，并且開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波發(fā)射完畢時(shí)，定時(shí)器計(jì)時(shí)完畢，并且重新裝填等待下次發(fā)射。
   在接收電路中使用了紅外線接收處理芯片CX20106A，因?yàn)樗幚淼氖?8 kHz的紅外信號(hào)，而40 kHz的超聲波信號(hào)和它比較接近，并且CX20106A芯片具有很強(qiáng)的抗干擾能力，這個(gè)芯片的外圍電路很簡(jiǎn)單而且通過(guò)外圍電阻調(diào)節(jié)它的中心處理頻率，通過(guò)改變外圍電路電容的大小也可以改變接收電路靈敏度和抗干擾能力。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)用單片機(jī)發(fā)40 kHz信號(hào)與使用CX20106A的電路搭配更加簡(jiǎn)單合理，使得時(shí)間的計(jì)算更為精確。

圖3 超聲波測(cè)距儀_超聲波發(fā)送接收電路

   該系統(tǒng)的超聲波接收模塊是由超聲波接收探頭和紅外線接收處理芯片CX20106A組成。如圖3所示。超聲波接收子程序的流程是，利用INT0中斷檢測(cè)回波信號(hào)，若有回波信號(hào)(INT0口低電平)就關(guān)閉外部中斷，同時(shí)停止計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)，將測(cè)距成功標(biāo)志位標(biāo)記為1(測(cè)距成功)，同時(shí)提取時(shí)間值，計(jì)算待測(cè)距離，保存最終結(jié)果后打開(kāi)外部中斷，等待下次測(cè)量。
   2．2 超聲波測(cè)距顯示電路
   在顯示模塊選擇時(shí)有兩種，一種是用液晶顯示屏，其具有輕薄短小，分辨率高，可顯示漢字等各種符號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。但一般需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫(kù)，編程工作量大；一種則是選用數(shù)碼管，數(shù)碼管具有低電耗、壽命長(zhǎng)、易于維護(hù)的特點(diǎn)，同時(shí)精度比較高，稱量快，精確可靠，編程容易，操作簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)漢字及多數(shù)據(jù)多行顯示。綜合考慮本次設(shè)計(jì)中選擇了3位數(shù)碼管顯示。用PNP型三極管驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，并連接到單片機(jī)AT89C52的P0口上作位選。雖然顯示上沒(méi)有液晶顯示屏那么完全，但是也能夠完整直觀地顯示出需要的結(jié)果。圖4為超聲波測(cè)距硬件設(shè)計(jì)的顯示電路。

圖4 超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)_數(shù)碼管顯示電路圖

2．3 主電路原理圖
該系統(tǒng)主電路原理圖如圖5所示，單片機(jī)采用AT89C51系列，單片機(jī)使用外部時(shí)鐘源，外接12MHZ的晶振，由P0．0口直接輸出40 KHZ的驅(qū)動(dòng)信號(hào)給放大電路。接收到回波后，經(jīng)由CX20106的濾波，產(chǎn)生中斷信號(hào)，并由p3．2口輸出進(jìn)行中斷。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的3位數(shù)碼管，連接單片機(jī)AT89C51的P0口，而三極管連接P2口，作數(shù)碼管的位選。工作時(shí)，首先將系統(tǒng)初始化，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。并由P0．0腳發(fā)出40KHZ的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)打開(kāi)INT0中斷，并且開(kāi)始等待接收到的回波和中斷信號(hào)，若接收到回波(單片機(jī)接收到中斷信號(hào))，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，保存時(shí)間信息，并且根據(jù)溫度補(bǔ)償計(jì)算出當(dāng)前環(huán)境下的聲速，計(jì)算出當(dāng)前待測(cè)距離后儲(chǔ)存，并調(diào)用顯示子程序。測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式傳送到LED顯示，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。配套的超聲波測(cè)距源程序可去這里找找。

圖5 超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)_原理圖

圖6 超聲波測(cè)距設(shè)計(jì)_元件安裝圖

圖7 超聲波測(cè)距設(shè)計(jì)_頂層PCB圖

圖8 超聲波測(cè)距設(shè)計(jì)_底層PCB圖

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，本測(cè)距儀能夠迅速的測(cè)出5m以內(nèi)的短距離障礙物，在設(shè)計(jì)的15度環(huán)境溫度下，測(cè)量范圍在30—500cm內(nèi)，誤差能控制在1cm以內(nèi)，本設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)單實(shí)用，能耗低，成本低等特點(diǎn)，配套的超聲波測(cè)距程序。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的精度能滿足普通需求，若需要進(jìn)一步提高精度，可采用DS18B20測(cè)溫后進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

作者: 為萌而飛 時(shí)間: 2015-5-16 14:38
看著不錯(cuò)

作者: 地球沒(méi)你照樣轉(zhuǎn) 時(shí)間: 2016-8-19 11:59
能不能把程序借的參考參考，我現(xiàn)在在做智能跟隨小車，遇到了這問(wèn)題。謝謝啦

作者: 順?biāo)浦?11 時(shí)間: 2016-9-7 10:34
有仿真和pcb嗎

作者: 大大 時(shí)間: 2017-1-4 23:11
有沒(méi)有程序啊

作者: sogeam 時(shí)間: 2017-1-8 11:04
為什么都要用51呢,現(xiàn)實(shí)中量產(chǎn)的好象很用這種

作者: 看著我 時(shí)間: 2017-7-12 21:32
有沒(méi)有程序啊

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