超声波自动测距系统设计_本科毕业设计(编辑修改稿)

超声波自动测距系统设计_本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

作用于介质时被介质所吸收，实际上也就是有能量吸收，同时，由于超声波的 振动，使介质产生强烈的高频振荡介质相互摩擦产生热热量，这种能量使介质温度升高。 167。 超声波传感器的简介 超声波传感器是利用超声波的 特性 研制而成的传感器。 超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为 射线 而定向传 播等特点。 超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。 超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。 因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。 电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。 他们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。 目前较为常用的是压电式超声波发生器。 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。 它有两个压电晶片和一个共振板。 当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。 反之，如果两极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 超声波传感器结构如 图 21 和 22 所示。 河南科技大学本科毕业设计（论文） 8 图 21 超声波传感器外部结构 图 22 超声波传感器内部结构 167。 超声波传感器的结构 超声波传感 器分机械方式和电气方式两类本。 本 次设计超声波传感器采用电气方式中的压电 方 式。 它实际上是一种换能器，在发射端它把超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。 它有两个压电晶片和一个共振板。 当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。 反之，如果两电极间外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。 在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越 远。 超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。 它是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。 目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。 电声型主要有压电传感器 、 磁致伸缩传感器 、 静电传感器。 流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。 由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在 超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。 压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。 探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器河南科技大学本科毕业设计（论文） 9 件，是超声波检测装置的重要组成部分。 压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。 属于晶体的如石英，妮酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钦酸钡等。 其具有下列的特性 :把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变。 相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。 所以，只要对这种材 料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。 因此，用这种材料可以制成超声传感器。 传感器的主要组成部分是压电晶片，当压电晶片发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。 当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。 前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。 超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。 这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。 在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产 生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。 也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为儿交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。 如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。 图 23 双压电晶片示意图 双压电晶片如图 23 所示，当在 AB 间施加交流电压时，若 A 片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩 ，形成超声波振动。 河南科技大学本科毕业设计（论文） 10 图 24 双压电晶片的等效电路图 双压电晶片的等效电路如图 24 所示， 0C 为静电电容， R 为陶瓷材料介电损耗 ,并联电阻 Cm 和 Lm 为机械共振回路的电容和电感， mR 为损耗串联电阻。 压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率ƒ o。 发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。 这样，超声传感器才有较高的灵敏度。 当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何 尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率，利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。 超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长另一片就缩短。 在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板 (振动板 )接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。 双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。 这两处的支点就成为振子振动的节点。 金属板的中心有圆锥形振子，发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波。 接收超声波时，超声波的振动集中于振 子的中心，所以能产生高效率的高频电压。 167。 超声波传感器的选择 测距系统的分辨率取决于对超声波传感器的选择。 超声波传感器是一种采用压电效应的传感器 ,常用的材料是压电陶瓷。 由于超声波在空气中传播时会有衰减 ,衰减的程度与频率的高低成正比 , 而频率高分辨率也高 , 故短距离测量时应选择频率高的传感器 , 而长距离的测量时应用低频率的传感器。 本文设计主要用于倒车雷达等方面的应用 , 故选择频率高的传感器。 超声波传感器有多种结构形式，可分成直探头 (接收纵波 )、斜探头 (接收横波 )、表面波探头 (接收表面波 )、收发一体式探头、收 发分体式双探头等。 河南科技大学本科毕业设计（论文） 11 超声波传感器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封放水型等多种产品。 一般电子市场上出售的超声波传感器常见的有收发一体式和收发分体式两种。 其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接受超声波。 收发分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。 在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多。 频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高。 本文中选用的探头是 40KHz 的收发分体式 HCSR04 超声波测距模块。 167。 HCSR04 超声波测距模块的 简介 HCSR04 超声波测距模块可提供 2cm400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。 （ 1） 采用 IO 口 TRIG 触发测距，给最少 10us 的高电平信呈。 （ 2） 模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回。 （ 3） 有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间 就 是超 声 波 从 发 射到 返 回 的 时 间。 测 试 距 离 =( 高电 平 时 间  声速(340M/S))/2。 图 25 HCSR04 超声波测距模块实物 河南科技大学本科毕业设计（论文） 12 如图 25 接线， VCC 供 5V 电源， GND 为地线， TRIG 触发控制信号输入， ECHO 回响信号输出等四个接口端。 表 21 HCSR04 超声波测距模块的电气参数 电气参数 HCSR04 超声波模块 工作电压 DC 5 V 工作电流 15mA 工作频率 40kHz 最远射程 4m 最近射程 2cm 测量角度 15 度 输入触发信号 10uS 的 TTL 脉冲 输出回响信号 输出 TTL 电平信号，与射程 成比例 规格尺寸 45 20 15mm 图 26 HCSR04 超声波测距模块的时序图 以上时序图表明你只需要提供一个 10uS 以上脉冲触发信号，该模块内河南科技大学本科毕业设计（论文） 13 部将发出 8 个 40kHz 周期电平并检测回波。 一旦检测到有回波信号则输出回响信号。 回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。 由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计 算得到距离。 公式： uS/58=厘米或者 uS/148=英寸；或是距离 =高电平时间  声速（ 340M/S） /2；建议测量周期为 60ms 以上，以防止发射信号对回响信号的影响。 167。 超声波测距原理 超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。 本设计采用往返时间检测法测距。 其原理是利用超声波的发射和接受 ,根据超声波传播的时间来计算出传播距离。 如图 23 所示为反射时间法测距原理图 ， 利用检测声波发出到接收到被测物反射 回波的时间来测量距离 ,对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数 ,我们通过测量回波时间 T 利用公式 S=C (T/2)其中 ， S 为被测距离、 V 为空气中声速、T 为回波时间 (T=T2T1)， T1 为超声波发出的时刻 ， T2 为超声波返回的时刻 ，可以计算出路程 ， 这种方法不受声波强度的影响。 这样可以求出距离 ： S=C (T2T1)/2。 T XT 1T 2R X 图 23 超声波测距原理 超声波在固体中传播速度最快，在气体中传播速度最慢，而且声速 c 与温度有关。 如果环境温度变化显着，必须考虑温度补偿问题。 空气中声速与温度的关系可 以表示为： )/( (21) 河南科技大学本科毕业设计（论文） 14 式中， T 为环境摄氏温度℃。 表 22 声速与温度的关系表 温度（摄氏度） － 30 － 20 － 10 0 10 20 30 100 声速（米／秒） 313 319 325 323 338 344 349 386 在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速 c 是基本不变的，计算时取 c 为 340m/s。 如果测距精度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件电路基本不 变的情况下通过软件改进算法的方法来加以校正。 167。 发射脉冲宽度 发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。 减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。 但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。 在具体设计中，比较了 25181。 s(l 个 40KHz 方波脉冲 )， 100181。 s(4 个 40KHz 方波脉冲 )，200181。 s(8 个 40KHz 方波脉冲 )， 800181。 s(32 个 40KHz 方波脉冲 )的发射脉冲宽度，作为发射 信号后的接收信号。 最终采用短距离 (2m 内 )发射 200181。 s(8 个40KHz 方波脉冲 )发射脉冲宽度 ； 长距离 (2m 外 )发射 800181。 s(32 个 40KHz 脉冲方波 )的发射脉冲宽度，同时单片机编程避开盲区。 此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中，并且接收准确响应速度快。 167。 测量盲区 在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。 此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。 不同的检测仪阻塞程度不一样。 根据阻塞区内的缺陷回波高度 对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。 由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往河南科技大学本科毕业设计（论文） 15 往不能被发现，这段距离，称为盲区，具体分析如下 ： V mV M放 大 器 输 入 电 路A接 收 信 号 幅 值发 射 信 号 幅 值bca0发 射 后 时 间 图 28 传感器回波测距原理分析图 如图所示，当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振 (由于机械惯性作用 )。 因此，在一段较长时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平 Vm； 另一方面，接收探 头上。