超聲波測距裝置設計文獻綜述.doc

附1 成績： 西安建筑科技大學華清學院畢業(yè)設計 (論文)文獻綜述院 （系）： 機械電子工程系 專業(yè)班級： 自動化0802 畢 業(yè) 設 計論 文 方 向 ：單片機實際工程應用 綜述題目： 超聲波測距裝置設計概述 學生姓名： 蔣 鑫 學 號： 0806010228 指導教師： 孟 月 波 2012年 3 月 17 日超聲波測距裝置設計摘要：為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時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）超聲波測距系統(tǒng)，就是為機器人了解其前方、左側和右側的環(huán)境而提供一個運動距離信息 分析了汽車倒車防撞系統(tǒng)的基本設計原理以及目前國內(nèi)外此類防撞系統(tǒng)存在的問題，較詳細的介紹超聲波測距系統(tǒng)以及根據(jù)該系統(tǒng)設計原理、方法和步驟，研制的汽車倒車防撞報警器。這種報警器在汽車倒車過程中達到極限位置的時候，能自動檢測車尾障礙物的距離并發(fā)出聲光警報，提醒司機剎車。本設計利用超聲波傳感器進行信號的發(fā)射和接收，包括發(fā)射、接受以及報警電路三個部分。超聲傳感器的主要元件是采用壓電元件鋯鈦化鉛，具有很強的方向性，報警電路部分是利用聲光報警器，將信號傳遞之后，可實現(xiàn)聲音報警，本設計利用國內(nèi)生產(chǎn)假的通用元件，成本低，性能可靠。有利于推廣。 關鍵字：超聲波，防撞，汽車倒車，報警器，傳感器1. 前言 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人研制上也得到了廣泛的應用。2. 發(fā)展歷史 隨著機器人技術在其誕生后短短幾十年中的迅猛發(fā)展,它的應用范圍也逐步由工業(yè)生產(chǎn)走向人們的生活。如此廣泛的應用使得提高人們對機器人的了解顯得尤為重要。機器人通過其感知系統(tǒng)察覺前方障礙物距離和周圍環(huán)境來實現(xiàn)繞障、自動尋線、測距等功能。超聲波測距相對其他測距技術而言成本低廉,測量精度較高,不受環(huán)境的限制,應用方便，將它與紅外、灰度傳感器等結合共同實現(xiàn)機器人尋線和繞障功能。超聲波由于指向性強、能量消耗緩慢且在介質中傳播的距離較遠，因而經(jīng)常用于距離的測量。它主要應用于倒車雷達、測距儀、物位測量儀、移動機器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場等，例如：距離、液位、井深、管道長度、流速等場合。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便，且計算簡單、易于做到實時控制，在測量精度方面也能達到工業(yè)實用的要求，因此得到了廣泛的應用。本課題的研究是非常有實用和有商業(yè)價值的。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。超聲波測距系統(tǒng)，就是為機器人了解其前方、左側和右側的環(huán)境而提供一個運動距離信息。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計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、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(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AT89C51介紹 AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4kB的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內(nèi)置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。AT89C51是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。其實物如圖：3.1 圖3.1 AT89C51單片機芯片31 Proteus軟件介紹Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應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)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，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自動或人工布線 3SPICE電路仿真革命性的特點 1互動的電路仿真用戶甚至可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，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。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計開發(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變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉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。由于工作頻率與應用目的不同，超聲傳感器的結構形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為“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，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉換的一種傳感器件，是超聲波檢測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之中，它就產(chǎn)生一定的應變；相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應變，從而產(chǎn)生超聲振動。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。當壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應。當超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉換成相應的電信號，是正壓電效應。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，價格低廉，且非常適用于氣體和液體介質中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機械變形，這種機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，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為f0交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機械振動，這種機械振動推動空氣等媒介，便會發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的電信號。5超聲波測距原理簡介5.1超聲波發(fā)生器為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計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、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(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)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結構如圖1所示，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，便產(chǎn)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，這時它就成為超聲波接收器了。5.3超聲波測距原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。測距的公式表示為：L=CT式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半)。超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數(shù)量級。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們設計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。超聲波測距誤差分析根據(jù)超聲波測距公式L=CT，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。時間誤差當要求測距誤差小于1mm時，假設已知超聲波速度C=344m/s (20室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差st(0.001/344) 0.000002907s 即2.907s。在超聲波的傳播速度是準確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準的89C51單片機定時器能方便的計數(shù)到1s的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內(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系。已知超聲波速度與溫度的關系如下：式中： r 氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為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 絕對溫度，273K+T。近似公式為：C=C0+0.607T式中：C0為零度時的聲波速度332m/s；T為實際溫度()。對于超聲波測距精度要求達到1mm時，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進去。例如當溫度0時超聲波速度是332m/s, 30時是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的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將達到5m，測量1m誤差將達到5mm。6.電路設計 超聲波發(fā)射與接收電路是整個系統(tǒng)的重要部分，因此確定一種好的設計方案關系整個系統(tǒng)的精確性和安全可靠性。本文通過多種方案比較，以達到最佳方案確定。 設計方案一：由施密特振蕩器和數(shù)字功放電路組成，由P1.0口發(fā)出的同步脈沖信號如圖6.1。它啟動振蕩器，輸出40KHz的高頻信號，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P1.0發(fā)出啟動信號，在A點形成正脈沖，經(jīng)N1反相，=0，D1相位釋放，=1，Q=0，=1（正跳），T0計數(shù)器開始計數(shù)。脈沖過后，=1，=1，Q=0，=1?；夭ㄐ盘柦?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。它的前沿使A1輸出低電平。=0，=1，Q=1，=0（負跳），即獲得負跳沿信號，CPU響應中斷，T0計數(shù)停，計數(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，接收探頭會引起強烈的感應信號，因此必須將其隱去。當P1.0輸出啟動信號，主控同步脈沖加至比較器A2時，A2輸出一個遠大于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)射串擾信號，A1輸出端即RS觸發(fā)器的端仍為高電平，這樣串擾信號將被隱去。這段時間稱為盲區(qū)，約2ms。6.1盲區(qū)干擾信號的消隱通常發(fā)射換能器和接收換能器都是平行放置且距離較近。當發(fā)射探頭發(fā)射超聲波時接收換能器接收到的第一個波是串擾直通波，也稱泄漏波它是近源的波束旁瓣或通過繞射由發(fā)射換能器直接到達接收換能器而造成的。因此，通常接收探頭會引起強烈的感應信號。所以必須將其隱去,當P1.0輸出啟動信息,同步脈沖加至比較器A2時，A2輸出一遠大于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)射串擾信號，A1輸出端即RS觸發(fā)器S端仍為高電平，這樣串擾信號將被隱去，這段時間稱為盲區(qū)，約2毫秒。圖6.2單片機脈沖序列總 結通過為期三周的資料查閱，使我初步了解了超聲波測距的基本