超聲波測(cè)距裝置設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述.doc

附1 成績(jī)： 西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)文獻(xiàn)綜述院 （系）： 機(jī)械電子工程系 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化0802 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 方 向 ：?jiǎn)纹瑱C(jī)實(shí)際工程應(yīng)用 綜述題目： 超聲波測(cè)距裝置設(shè)計(jì)概述 學(xué)生姓名： 蔣 鑫 學(xué) 號(hào)： 0806010228 指導(dǎo)教師： 孟 月 波 2012年 3 月 17 日超聲波測(cè)距裝置設(shè)計(jì)摘要：為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。本文所介紹的三方向（前、左、右）超聲波測(cè)距系統(tǒng)，就是為機(jī)器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)距離信息 分析了汽車倒車防撞系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原理以及目前國(guó)內(nèi)外此類防撞系統(tǒng)存在的問題，較詳細(xì)的介紹超聲波測(cè)距系統(tǒng)以及根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理、方法和步驟，研制的汽車倒車防撞報(bào)警器。這種報(bào)警器在汽車倒車過程中達(dá)到極限位置的時(shí)候，能自動(dòng)檢測(cè)車尾障礙物的距離并發(fā)出聲光警報(bào)，提醒司機(jī)剎車。本設(shè)計(jì)利用超聲波傳感器進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射和接收，包括發(fā)射、接受以及報(bào)警電路三個(gè)部分。超聲傳感器的主要元件是采用壓電元件鋯鈦化鉛，具有很強(qiáng)的方向性，報(bào)警電路部分是利用聲光報(bào)警器，將信號(hào)傳遞之后，可實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警，本設(shè)計(jì)利用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)假的通用元件，成本低，性能可靠。有利于推廣。 關(guān)鍵字：超聲波，防撞，汽車倒車，報(bào)警器，傳感器1. 前言 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。2. 發(fā)展歷史 隨著機(jī)器人技術(shù)在其誕生后短短幾十年中的迅猛發(fā)展,它的應(yīng)用范圍也逐步由工業(yè)生產(chǎn)走向人們的生活。如此廣泛的應(yīng)用使得提高人們對(duì)機(jī)器人的了解顯得尤為重要。機(jī)器人通過其感知系統(tǒng)察覺前方障礙物距離和周圍環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)繞障、自動(dòng)尋線、測(cè)距等功能。超聲波測(cè)距相對(duì)其他測(cè)距技術(shù)而言成本低廉,測(cè)量精度較高,不受環(huán)境的限制,應(yīng)用方便，將它與紅外、灰度傳感器等結(jié)合共同實(shí)現(xiàn)機(jī)器人尋線和繞障功能。超聲波由于指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而經(jīng)常用于距離的測(cè)量。它主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、測(cè)距儀、物位測(cè)量?jī)x、移動(dòng)機(jī)器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等，例如：距離、液位、井深、管道長(zhǎng)度、流速等場(chǎng)合。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便，且計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，在測(cè)量精度方面也能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。本課題的研究是非常有實(shí)用和有商業(yè)價(jià)值的。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。超聲波測(cè)距系統(tǒng)，就是為機(jī)器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)距離信息。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。3.單片機(jī)AT89C51介紹 AT89C51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案。AT89C51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。其實(shí)物如圖：3.1 圖3.1 AT89C51單片機(jī)芯片31 Proteus軟件介紹Proteus軟件是英國(guó)Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國(guó)總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。32 Proteus功能特點(diǎn)Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是： 1原理布圖2PCB自動(dòng)或人工布線 3SPICE電路仿真革命性的特點(diǎn) 1互動(dòng)的電路仿真用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達(dá)，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2仿真處理器及其外圍電路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境。4. 超聲波傳感器的介紹 超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變同頻率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動(dòng)力型。電聲型主要有：1壓電傳感器；2磁致伸縮傳感器；3靜電傳感器。流體動(dòng)力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛”。 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測(cè)中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測(cè)裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。其具有下列的特性：把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說(shuō)，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為f0交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號(hào)。5超聲波測(cè)距原理簡(jiǎn)介5.1超聲波發(fā)生器為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。5.2壓電式超聲波發(fā)生器原理壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。5.3超聲波測(cè)距原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。測(cè)距的公式表示為：L=CT式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段。在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，但是目前國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度。通過分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們?cè)O(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度。超聲波測(cè)距誤差分析根據(jù)超聲波測(cè)距公式L=CT，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。時(shí)間誤差當(dāng)要求測(cè)距誤差小于1mm時(shí)，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s (20室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測(cè)距誤差st(0.001/344) 0.000002907s 即2.907s。在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1s的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測(cè)量范圍內(nèi)。超聲波傳播速度誤差超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下：式中： r 氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對(duì)空氣為1.40，R 氣體普適常量，8.314kgmol-1K-1，M氣體分子量，空氣為28.810-3kgmol-1，T 絕對(duì)溫度，273K+T。近似公式為：C=C0+0.607T式中：C0為零度時(shí)的聲波速度332m/s；T為實(shí)際溫度()。對(duì)于超聲波測(cè)距精度要求達(dá)到1mm時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0時(shí)超聲波速度是332m/s, 30時(shí)是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30的環(huán)境下以0的聲速測(cè)量100m距離所引起的測(cè)量誤差將達(dá)到5m，測(cè)量1m誤差將達(dá)到5mm。6.電路設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射與接收電路是整個(gè)系統(tǒng)的重要部分，因此確定一種好的設(shè)計(jì)方案關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的精確性和安全可靠性。本文通過多種方案比較，以達(dá)到最佳方案確定。 設(shè)計(jì)方案一：由施密特振蕩器和數(shù)字功放電路組成，由P1.0口發(fā)出的同步脈沖信號(hào)如圖6.1。它啟動(dòng)振蕩器，輸出40KHz的高頻信號(hào)，經(jīng)整形及功放電路，加至發(fā)射換能器，發(fā)出40kHz的超聲波。接收電路主要由回波放大接收及比較控制電路組成，如圖6.2所示。圖6.1接收控制及接口電路 圖6.2接收控制及接口電路初始，比較器A1同相端已經(jīng)通過調(diào)整Rr，使其電壓略高于2.5V。因此A1應(yīng)輸出高電平，但由于D1相位作用，A1輸出低電平，即RS觸發(fā)器的=0，Q=1，=1,，=0。當(dāng)P1.0發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，在A點(diǎn)形成正脈沖，經(jīng)N1反相，=0，D1相位釋放，=1，Q=0，=1（正跳），T0計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。脈沖過后，=1，=1，Q=0，=1。回波信號(hào)經(jīng)放大濾波，送至比較器A1的反相端，它是疊加在2.5V電壓上的交變40kHz的信號(hào)。它的前沿使A1輸出低電平。=0，=1，Q=1，=0（負(fù)跳），即獲得負(fù)跳沿信號(hào)，CPU響應(yīng)中斷，T0計(jì)數(shù)停，計(jì)數(shù)值N1送存RAM。 由于發(fā)射探頭和接收探頭都是平行放置且距離較近，發(fā)射探頭發(fā)射超聲波時(shí)，接收探頭會(huì)引起強(qiáng)烈的感應(yīng)信號(hào)，因此必須將其隱去。當(dāng)P1.0輸出啟動(dòng)信號(hào)，主控同步脈沖加至比較器A2時(shí)，A2輸出一個(gè)遠(yuǎn)大于2.5V的電壓，經(jīng)過D2降壓后約為7.5V左右，加至A1同相端，又C2的延遲作用，A1同相端產(chǎn)生一定寬度和高度的方波，它的幅度和寬度均大于發(fā)射串?dāng)_信號(hào)，A1輸出端即RS觸發(fā)器的端仍為高電平，這樣串?dāng)_信號(hào)將被隱去。這段時(shí)間稱為盲區(qū)，約2ms。6.1盲區(qū)干擾信號(hào)的消隱通常發(fā)射換能器和接收換能器都是平行放置且距離較近。當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)射超聲波時(shí)接收換能器接收到的第一個(gè)波是串?dāng)_直通波，也稱泄漏波它是近源的波束旁瓣或通過繞射由發(fā)射換能器直接到達(dá)接收換能器而造成的。因此，通常接收探頭會(huì)引起強(qiáng)烈的感應(yīng)信號(hào)。所以必須將其隱去,當(dāng)P1.0輸出啟動(dòng)信息,同步脈沖加至比較器A2時(shí)，A2輸出一遠(yuǎn)大于2.5V的電壓，經(jīng)D2降壓后大約等于7.5V，加至A1同相端，由于C1延遲作用，A1同相端將產(chǎn)生一定寬度和高度的方波，如圖3.2中的（4）所示。它的寬度和幅度都大于發(fā)射串?dāng)_信號(hào)，A1輸出端即RS觸發(fā)器S端仍為高電平，這樣串?dāng)_信號(hào)將被隱去，這段時(shí)間稱為盲區(qū)，約2毫秒。圖6.2單片機(jī)脈沖序列總 結(jié)通過為期三周的資料查閱，使我初步了解了超聲波測(cè)距的基本