基于51单片机的超声波测距系统的设计(编辑修改稿)

基于51单片机的超声波测距系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

，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。 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， OC 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。 6 超声波传感器选择 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。 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 4OKHz 的收发分体式超声传感器，由一支发射传感器 UCMT40KI 和一支接收传感器 UCMR4OKI 组成，其特性参数如表 25 所示。 表 25传感器特性参数表 型号 UCMT40K1 UCMR40KQ 结构 开放式 开放式 使用方式 发射 接收 中心频率 ZKH140 ZKH138 频带宽   灵敏度 ubardBV110 ubardBV65 声压 ) n(115 m P adBdB  )10m in (70 ub arVdBdB  指向角 o75 o80 容量 pF%252500  pF%252500  超声波测距的原理 超声波测距方法主要有三种： 1）相位检测法：精度高， 但检测范围有限； 2）声波幅值检测法：易受反射波的影响； 3）渡越时间法：工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都容易实现，其原理为：检测从发射传感器发射的超声波经气体介质传播到接收传感器的时间 t，这个时间就是渡越时间，然后求出距离 l。 设 l 为测量距离， t 为往返时间差，超声波的传播速度为 c，则有 l=ct/2。 综合以上分析，本设计将采用渡越时间法。 7 图 26 测距原理 由于超声波也是一种声波，其声速 c 与空气温度有关，一般来说，温度每升高 1 摄氏度，声速增加 米／秒。 表 27 列出了几种温度下的声速： 表 27 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。 在本系统中利用 AT89S52 中的定时器测量超声波传播时间，利用 DS18B20 测量环境温度，从而提高测距精度。 空气 中声速与温度的关系可表示为： )/( smTTc  (23) 声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离： L=1/2(+)t。 （系统中应用该式进行温度补偿） 如果为了进一步提高测量精度，本设计中将根据需要利用软件方式增加角度补偿的设计： 2 2 2s l h。 （系统中应用该式进行角度补偿） 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 8面来衡量比较适中，并且接收准确响应速度快。 第 3章 系统硬件设计 系统硬件主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路和温度补偿电路四部分组成。 随着超声波测量技术 的 不断提高，用超声波测量 任何目标物体 ，都存在着超声波的发射和接收问题。 不论超声 波 传感器的大小、形状、灵敏度有何不同，其工作原理都有是一样的 （ 都是利用压电晶体将电能转换为机械振动弹性能，即在媒质中产生超声 波 ）， 要提高超声测量的精度或分辨力，必须从超声波的发射和接收两方面入手，这也是设计超声测量仪器的关键和难点 所在。 发射电路采用单片机 端口编程输出 40KHz 左右的方波脉冲信号，同时开启内部计数器 T0。 由于单片机端口输出功率很弱，在此电路上加功率放大电路使测量距离满足要求，驱动超声传感器 UCM40T1 发射超声波距离足够远。 由于 从接收传感器探头 UCM40T 传来的超声 波 回波很微弱（几十个 mV 级），又存在着较强的噪声，所以放大信号和抑制噪声是放大电路必须考虑。 这里使用 CX 20206A集成电路对接 收探头 接受 到的信号进行放大、滤波 ，信号经过 端口送入单片机中进行处理。 为节省硬件考虑 ， 显示电路采用动态扫描显示。 通过单片机编程将内部计数得到的时间数据，转换为距离信息，通过 三 位 LED 数码管显示。 发射电路设计 超声波发射部分是为了让超声波发射换能器 TCT40－ 16T 能向外界发出 40 kHz左右的方波脉冲信号。 40 kHz 左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如由 555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。 编程由单片机 端口输出40 kHz 左右的方波脉冲信号，由于 单片机端口输出功率不够， 40 kHz 方波脉冲信号分成两路，送给一个由 74HC04 组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器 TCT40－ 16T 以声波形式发射到空气中。 发射部分的电路，如图 31 所示。 图中输出端上拉电阻 R31， R32，一方面可以提高反向器 74HC04 输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。 9 发射电路设计方案 一、发射电路输出波形分析 为获得高分辨力，发射电路设计应保证发射的超声波波形有良好的重复性。 此外，所发射的超声波应尽量单纯，即发射波的各个振动应近似为同一频率的振动，以便接收时可采用带通滤波器消除干扰和每次都接收到同一个振动波峰。 为避免超声波在障碍物表面反射时造成的各种损失和干扰。 由于超声波是换能器压电晶片振动时推动附近的空气发出的疏密波，其“波形”应与晶片振动规律相同。 发射电路设计的是 否合理直接影响发射波功率和波形的重复性。 通常发射电路按发射方式分为 :单脉冲发射、多脉冲发射和连续发射。 测距所用超声波一般都是间断单脉冲发射，每测距一次，发送、接收一次。 间断地激发换能器晶片振动。 此方法测试距离太近。 本系统采用间断多脉冲发射，系统自动识别被测距离远近，设置发射脉冲个数。 传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度，综合各种损耗的因素，包括往返传播损失，声波传输损失，声波反射损失，环境噪声损失。 另外考虑实际发射传感器的最大输入电压为 20Vpp，以及单片机正常工作输出最大电压 5V，传感器发射信号的功率直接决定发射探头发出超声信号的远近，所以考虑电压的同时应该考虑如何提高其功率，才能使得发射电路更合理。 接收电路设计 接收换能器晶片接收到超声波垂直作用后，因谐振而形成逐步加强的机械振动。 因压电效应晶片两面出现交变的等量异号电荷，电荷量很少，只能提供微小交变 的电压信图 31 超声波发射电路框图 10号，而不能提供电流信号。 所以需要一个前置放大电路将这一微小交变电压信号充分放大，同时考虑可能出现干扰信号，放大有用信号的同时加入滤波电路，驱动后面的比较器输出电位跳变，作为确定接收到的时刻。 前置放大电路单元的作用是对有用的信号进行放大，并抑制其它的噪声和干扰，从而达到最大信噪比，以利于后续电路的设计。 L S 2U C M 4 02314111T L 0 8 2R2R3RpV C C V C CU0UiIfIi 图 33前置放大电路图 电路如图 33 所示，考虑到超声换能器的输出电阻比较大 (一般数百兆欧姆以上 )，因此前置放大器必须有足够大的输入阻抗 (Input Impedance))。 同时，换能器的输出电 压很小(数十毫伏 )，这就要求前置放大电路有很高的精度、很小的输入偏置电压 (Input Offset Voltage)。 前置放大电路是由一个高精度、高输入阻抗放大器 TL082 及电阻 R2 、 3R 和R 构成，组成反向比例放大电路，这样可以减小地线噪声的影响。 由电路的基本知识，可列出 : I2RUUii  （ 32) I3RUUf   (33) 根据放大器理想化的两个重要概念 : U通常接近于零，即 U=U U  O，若把它理想化，则有 U=0，但不是短路，故常称为虚短。 ，即净输入电流 I 0，如把它理想化，则有 0I ，但不是断开，故常称为虚断。 故可知本电路中 :U 0,0   UU ，且 I fi I 所以有 11 iURRU 23 (34) 上式表明 ，输出电压与输入电压成比例运算关系，式中的负号表示 U 与 iU 反相。 电路的电压放大倍数为 : 23RRUUAiuf  (35) 利用反相比例放大器可实现对交直流输入信号的放大，且电路结构简单，只需要调节 2R 和 3R 阻值即可实现调节电压放大倍数。 图中 运放的同相输入端接有电阻 pR ，参数选择时应使两输入端外接直流通路等效电阻平衡，即 32 //RRRP  ，静态时使输入级偏置电流平衡并让输入级的偏置电流在运算放大器的两个输入端的外接电阻上产生相等的压降，以便消除放大器的偏置电流及漂移对输出端的影响，故 PR 又称为平衡电阻。 根据本设计系统需要，接收传感器输出电压很小 ( 数十毫伏 )，故分别取 KR 12。  KR 2020。  KRP 1 ，即放大电路将输入信号放大 200 倍。 单片机显示电路设计 显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而己。 最简单的显示器可以使 LED发光二极管，给出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应该是 CRT 监视器或者屏幕较大的 LCD 于显示的距离范围在 4 米之内，选用 3 位 LED 示，表示距离的XXXcm 数值。 液晶屏。 综合。