超聲波測(cè)距系統(tǒng)

1、 超射波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 應(yīng)用背景 測(cè)距的原理和方法有很多，根據(jù)信息載體的不同可分為光學(xué)方法、無(wú)線(xiàn)電方法和超聲波方法。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了激光、超聲波及紅外線(xiàn)等非接觸式測(cè)距方法。激光測(cè)距雖然測(cè)距精度高，操作簡(jiǎn)單，但是受環(huán)境的影響比較大，且系統(tǒng)檢測(cè)維護(hù)不便，價(jià)格相對(duì)昂貴，一般多在軍事領(lǐng)域應(yīng)用。紅外測(cè)距屬于電磁波的一種，超聲波是聲波測(cè)距，實(shí)現(xiàn)起來(lái)更容易且不受電磁干擾影響，并且在同等距離的情況下，超聲波的傳播時(shí)間遠(yuǎn)大于紅外，往返時(shí)間更易測(cè)量。超聲波在測(cè)距方面具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：(1)環(huán)境介質(zhì)可為空氣、液體或固體等，適用范圍廣泛；(2)對(duì)外界光線(xiàn)和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干

2、擾強(qiáng)等惡劣環(huán)境中，可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度；(3)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化和集成化； 由于超聲波具有以上特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于測(cè)量物體的距離、厚度、液位等領(lǐng)域。在超聲波探傷、自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)和倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，超聲波測(cè)距有其重要的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲波測(cè)距技術(shù)在國(guó)防、汽車(chē)工業(yè)及日常生活中無(wú)處不在，因此被廣泛應(yīng)用于無(wú)損探傷，距離測(cè)量、距離開(kāi)關(guān)、汽車(chē)倒車(chē)防撞、智能機(jī)器人等領(lǐng)域。2. 測(cè)量原理超聲波探頭主要由壓電晶片、吸收塊、保護(hù)膜組成。壓電晶片多為圓板型，厚度為。超聲波頻率f與其厚度成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，做導(dǎo)電的極板。吸收塊的作用是降低晶片的機(jī)械品質(zhì)，吸收

3、聲能量。如果沒(méi)有吸收塊，當(dāng)激勵(lì)的電脈沖信號(hào)停止時(shí)，晶片將會(huì)繼續(xù)震蕩，加長(zhǎng)超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。保護(hù)膜的作用是防止晶片與外界接觸和摩損，并起聲阻抗匹配作用。在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中，用脈沖激勵(lì)超聲波探頭的壓電晶片，使其產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，這種振動(dòng)在與其接觸的介質(zhì)中傳播，便形成了超聲波。就是探頭接通電源后以一定的頻率不斷發(fā)出聲波，當(dāng)聲波遇到障礙物時(shí)便會(huì)反射回來(lái)，反射回來(lái)的聲波遇到探頭就會(huì)對(duì)探頭產(chǎn)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生相應(yīng)的電壓。利用超聲波測(cè)量距離的原理如圖l所示，主要由超聲波發(fā)射、超聲波接收與信號(hào)轉(zhuǎn)換、溫度傳感器電路組成。簡(jiǎn)單描述為超聲波發(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

4、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并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)就立即停止計(jì)時(shí)。這樣只要測(cè)出發(fā)送和接收的時(shí)間差t，即可求出距離：式中：C為超聲波在空氣中的傳播速度。 在常溫下，空氣中的聲速約為340ms。由于超聲波也是一種聲波，其傳播速度C與溫度有關(guān)，在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的，其與環(huán)境溫度T()的關(guān)系式如下：C=331.4+0.61T圖1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖3. 超聲波發(fā)射電路發(fā)射部分電路如圖2所示，主要由脈沖調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路，隔離電路以及驅(qū)動(dòng)電路組成，用來(lái)為超聲波傳感器提供發(fā)送信號(hào)。脈沖調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路中通過(guò)單片機(jī)對(duì) 555定的復(fù)位(RESET)端的控制，使

5、555定時(shí)器分時(shí)工作從而生產(chǎn)生脈沖頻率為40KHz，周期為30ms的脈沖調(diào)制信號(hào)，一個(gè)周期內(nèi)發(fā)送10個(gè)脈沖信號(hào)。隔離電路主要是由兩個(gè)與非門(mén)組成，對(duì)輸出級(jí)與脈沖產(chǎn)生電路之間進(jìn)行隔離。輸出級(jí)由兩個(gè)通用型集成運(yùn)放TL084CN組成，由于超聲波傳感器的發(fā)射距離與其兩端所加的電壓成正比，因此要求電路要產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動(dòng)電壓，其基本原理就是一個(gè)比較電路，當(dāng)輸入信號(hào) Vi25V時(shí)，運(yùn)放A的輸出電壓VA=+12V，運(yùn)放B的輸出電壓VB=-12V，當(dāng)輸入信號(hào)Vi2.5V時(shí)，運(yùn)放A的輸出電壓 VA=-12V，運(yùn)放B的輸出電壓VB=+12V，所以在超聲傳感器兩端得到兩個(gè)極性完全相反的對(duì)稱(chēng)波形，即VB=-VA，所以加在

6、超聲波傳感器兩端的電壓V=VA-VB=24VA，其兩端的電壓可達(dá)到24V，從而保證超聲波能夠發(fā)送較遠(yuǎn)的距離，提高了測(cè)量量程。圖2 超聲波傳感器的發(fā)射電路4. 傳感器接收中的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路接收部分的電路由放大電路、濾波電路、整形電路以及信號(hào)變換電路組成。由于超聲波信號(hào)在空氣中傳播時(shí)受到很大程度的衰減，所以反射回的超聲波信號(hào)非常的微弱，不能直接送到后級(jí)電路進(jìn)行處理，必須將信號(hào)放大到足夠的幅度，才能使后級(jí)電路對(duì)它進(jìn)行正確的處理。信號(hào)變換電路主要將接收到的包絡(luò)信號(hào)變換成單片機(jī)的中斷觸發(fā)信號(hào)。由包絡(luò)檢波電路、電壓比較器和RS觸發(fā)器組成。包絡(luò)檢波電路由二極管D3，電阻R5，和電容C1組成。電壓比較器由集成運(yùn)

7、放和電容電阻組成，為了消除發(fā)送探頭的干擾信號(hào)，我們將單片機(jī)P12輸出的信號(hào)加到電壓比較器的同相端，它的波形是250s的高電平，和29750s低電平的方波，通過(guò)二極管D3將P1.2和比較器的正向端隔離。其輸入為AD620的輸出。當(dāng)P12輸出高電平時(shí)，通過(guò)二極管對(duì)電容C2充電，由于二極管是正向?qū)ǖ模猿潆姾芸?，?dāng)P12輸出為低電平時(shí)，二極管反向截止，電容通過(guò)電阻RW和R6放電，由于總電阻比較大，所以放電很緩慢，在沒(méi)有收到返回信號(hào)時(shí)，比較器輸出高電平，如果收到返回信號(hào)，比較器便輸出低電平，通過(guò)這種方法就可以消除發(fā)射探頭對(duì)反射回的信號(hào)的干擾。圖3 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路5. 溫度測(cè)量溫度對(duì)于超聲波測(cè)距系統(tǒng)的影響是不可忽略的。為了得到較為精確的測(cè)量結(jié)果，必須對(duì)波速