超聲波測(cè)距原理.docx

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(kāi)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(jiàn)，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(guò)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)距儀制作方案方案一：利用分立模塊的超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)包括超聲波測(cè)距模組、LED數(shù)碼顯示模組、驅(qū)動(dòng)模組控制模組及電源五部分。超聲波測(cè)距模塊主要由發(fā)射部分和接收部分組成，超聲波的發(fā)射受主控制器控制(如圖1所示);超聲波換能器諧振在40KHz的頻率，模塊上帶有40KHz方波產(chǎn)生電路。顯示模塊是一個(gè)8位段數(shù)碼顯示的LCD;測(cè)量結(jié)果的顯示用到三位數(shù)字段碼，格式為X點(diǎn)XX米，同時(shí)還用兩位數(shù)字段碼顯示數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。電源采用9V的DC電源輸入，經(jīng)穩(wěn)壓管后得出5V以及3.3V的電源供系統(tǒng)各部分電路使用。圖1 超聲波測(cè)距的結(jié)構(gòu)方案二：基于PIC16F876A單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀超聲波測(cè)距儀主要以單片機(jī)PIC16F876A為核心，其發(fā)射器是利用壓電晶體的諧振帶動(dòng)周圍空氣振動(dòng)來(lái)工作的.超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開(kāi)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)，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。一般情況下，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， 這就是常用的時(shí)差法測(cè)距。在測(cè)距計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)中，采用了相關(guān)計(jì)數(shù)法，其主要原理是：測(cè)量時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)先給發(fā)射電路提供脈沖信號(hào)，單片機(jī)計(jì)數(shù)器處于等待狀態(tài)，不計(jì)數(shù);當(dāng)信號(hào)發(fā)射一段時(shí)間后，由單片機(jī)發(fā)出信號(hào)使系統(tǒng)關(guān)閉發(fā)射信號(hào)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)起始時(shí)的同步;當(dāng)接收信號(hào)的最后一個(gè)脈沖到來(lái)后，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。雙向超聲波測(cè)距儀的系統(tǒng)主要有幾下部分組成(如圖2所示)： LED顯示模塊，PIC16F876A芯片，超聲波發(fā)射模塊，超聲波接收模塊，電源模塊等五大模塊組成。圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖1.2方案選取由于本次課程設(shè)計(jì)是數(shù)模電路設(shè)計(jì)，并且考慮到單片機(jī)編程對(duì)于小組成員都不熟悉，調(diào)試將遇到更大困難。方案一電路都為所學(xué)知識(shí)搭建，原理比較熟悉，故采用了硬件電路較復(fù)雜的方案一。用CX20106A做超聲波測(cè)距電路圖下面是使用 CX20106A 作為超聲波接收處理的典型電路，供參考。(當(dāng) CX20106A 接收到40KHz的信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入)一、超聲波發(fā)射部分應(yīng)該注意的地方1、首先確定你發(fā)射出的超聲波的頻率為標(biāo)準(zhǔn)的 40KHz(占空比50%)，并保證有足夠的驅(qū)動(dòng)電壓。2、如果你驅(qū)動(dòng)的是開(kāi)放式的非防水探頭(就是鋁外殼，探頭表面有金屬網(wǎng)，可以看到里面有一錐形的金屬)，則使用反相器串聯(lián)再并聯(lián)做BTL推動(dòng)就可以了(短距離測(cè)距，10vpp以上的電壓即可)。3、如果使用的探頭是全封閉的防水頭，那就要主要必須有足夠的驅(qū)動(dòng)電壓才能驅(qū)動(dòng)得了探頭(至少要60vpp以上，必須使用倒車?yán)走_(dá)專用的中周變壓器，這個(gè)器件可以找電感生產(chǎn)廠家，已經(jīng)批量產(chǎn)業(yè)化的器件，所以容易購(gòu)買。注意下匝數(shù)比就可以，一般有1:10、1:7幾種匝數(shù)比，都可以用)。二、CX20106A 的第5腳的電阻決定接收的中心頻率，200k的電阻決定了接收的中心頻率為40KHz。使用CX20106A存在的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單易用，電路簡(jiǎn)單，減少了生產(chǎn)調(diào)試的麻煩。缺點(diǎn)：必須保證接收到的信號(hào)為40KHz，否則無(wú)法解調(diào)出。更多內(nèi)容請(qǐng)參看：用CX20106A做超聲波測(cè)距電路圖超聲波測(cè)距儀原理圖用CX20106A做超聲波測(cè)距電路圖下面是使用 CX20106A 作為超聲波接收處理的典型電路，供參考。(當(dāng) CX20106A 接收到40KHz的信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入)一、超聲波發(fā)射部分應(yīng)該注意的地方1、首先確定你發(fā)射出的超聲波的頻率為標(biāo)準(zhǔn)的 40KHz(占空比50%)，并保證有足夠的驅(qū)動(dòng)電壓。2、如果你驅(qū)動(dòng)的是開(kāi)放式的非防水探頭(就是鋁外殼，探頭表面有金屬網(wǎng)，可以看到里面有一錐形的金屬)，則使用反相器串聯(lián)再并聯(lián)做BTL推動(dòng)就可以了(短距離測(cè)距，10vpp以上的電壓即可)。3、如果使用的探頭是全封閉的防水頭，那就要主要必須有足夠的驅(qū)動(dòng)電壓才能驅(qū)動(dòng)得了探頭(至少要60vpp以上，必須使用倒車?yán)走_(dá)專用的中周變壓器，這個(gè)器件可以找電感生產(chǎn)廠家，已經(jīng)批量產(chǎn)業(yè)化的器件，所以容易購(gòu)買。注意下匝數(shù)比就可以，一般有1:10、1:7幾種匝數(shù)比，都可以用)。二、CX20106A 的第5腳的電阻決定接收的中心頻率，200