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技術文章
高精度超聲波測距系統設計
作者:admin 發布時間:2015/11/20 14:48:50 瀏覽次數:3193
介紹了利用超聲波傳感器實現無接觸式空氣瀏距的原理和硬件組成，并充分考慮到瀏全環境滋度對超聲波傳遞速度的影響，通過沮度補償的方法對傳遞速度予以校正，而且可以馬上檢瀏聲波在現場的傳接速度并校采納，因此具有非常高的瀏全精度，能實時地將瀏1數據上傳給pc機，具有硬件結構簡單、工作可金、瀏貴誤差小等特點，現該產品已經被上海造紙機械電控技術研究所用于造紙設備復卷機的旋轉棍位移檢瀏上，實戲證明達到了各項指標的要求。
超聲波是由機械振動產生的，可在不同介質中以不同的速度傳播。由于超聲波指向性強，能童消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測t，如測距儀和物位測t儀等都可以通過來實現。超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比，如電磁的或光學的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環境下有一定的適應能力。因此在液位測t、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面有廣泛應用。特別是應用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結構信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準確度也較其它方法為高;而且超聲波傳感器具有結構簡單、體積小、信號處理可靠等特點，檢測比較迅速、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實用的要求。
1超聲波傳感器
1.1超聲波發生器
為了研究和利用超聲波，人們已經設計和制成了許多超聲波發生器。總體上可以分為兩大類:一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等;機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、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生器。
1.2壓電式超聲波發生器原理
是借助壓電晶體的諧振來工作，即陶瓷的壓電效應。超聲波傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板。當它的兩電極加脈沖信號必發脈沖)，若其頻率等于晶片的固有頻率時，壓電晶片就會發生共振，并帶動共振板振動，從而產生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當共振板接收到回波信號時，將壓迫兩壓電晶片振動，從而將機械能轉換為電信號，此時的傳感器就成了超聲波接收器。
2超聲波測距原理
超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限;聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本儀器采用超聲波渡越時間檢測法。其原理為:槍測從超聲波發射器發出的超聲波，經氣體介質的傳播到接收器的時間，即渡越時間。渡越時間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸的距離。
超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時單片機開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到庫礙物就立即返回來，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隨溫度變化，其對應值如表1，根據計時器記錄的時間，，就可以計算出發射點距障礙物的距離問，即:s=vrl2a
3硬件模塊的實現及工作原理
本系統由單片機at89c2051控制，包括發射電路，接收放大，檢波，整形和顯示幾部分電路組成，如圖1
3.1超聲波發射電路
發射電路如圖2，信號由單片機at89c2051的兩個定時/計數口to(p3.4)和t1(p3.5)正負交替發出一連申40kh:脈沖波。由t_-ljf,得f-25ue，所以發射的脈沖波正負分別是12u和13u。當to為高電平，t1為低電平時，上半部分電路工作，下半部分電路不導通，信號經三極管放大后，驅動變壓器翰出低電平信號，同理，當鈞為高電平，t1為低電平時，變壓器物出高電平信號，這樣，通過'po,t1的正負交替，發射電路發射出一連申40khz超聲波。發射波形圖如圖3。這里要注意一點:在'ib,tl都是低電平時，會有一個中間狀態，應避免翰出燒壞三極管。
3.2妞聲波接收放大電路
由于反射回來的超聲波信號非常徽弱，所以接收電路需要將其進行放大。接收電路如圖4。接收到的信號先經102電容藕合，然后加到運算放大器ne5532上進行兩級放大。第一級放大倍數為rr5/rr2，為16倍，第二級放大倍數為15倍，兩級放大的同相端都加了一個比較電壓2.5v和一個104電容，其目的是為了去掉電像和反射信號共同作用的小毛刺紋波電壓。
這里運算放大器采用nfs532不僅是因為其噪聲低，頻帶寬，還因為與同類運放相比其共模抑制比kcmr=100db較大，電源電壓抑制比ksvr_100db較小.翰人偏t電壓vios--0.sma較小，輸人偏里電流iios=1oma較小，因而工作性能較好，并且價格不貴.易于做成產品推廣。
3.3檢波電路
放大的信號通過檢波電路得到解調后的信號，即把多個脈沖波解調成多個大脈沖波。這里使用的是in60檢波二極管，它的高頻特性很好，輸出的直流信號即兩二極管之間電容電壓，為檢波前信號，。為檢波后信號。
由于發射的超聲波有部分可能未經反射就直接到超聲波接收端，導致側盆錯誤，這里ka的作用就是為了屏蔽未經反射的干擾信號。本系統通過單片機對ke的控制來控制檢波電路工作，ks端為低電平，電路相當于開路，則檢波電路不工作;ke為高電平，則檢波電路工作。程序通過對ks端高低電平的控制來控制檢波電路的工作，從而控制整個接收電路。在信號發射后，延時一定的時間，開耘，檢波電路開始工作，這樣有效避免了因未經反射的信號引起的測童誤差。
3.4比較整形電路
如圖6，該電路是用來把反射信號轉換為標準電平信號，通過整形把檢波后得到的不標準的脈沖波整形為標準脈沖波。在這里是通過使用lm324中的一個運放用做比較器來實現的。檢波器得到如圖7信號a，通過運放和一門限電壓比較得到如圖7信號b，這里門限電壓是用來去除檢波后的背景噪聲電壓。整形后的信號送到單片機n刊，inti口請求中斷。
在比較電路前加了一個電壓跟隨器，目的是減小干擾。采用兩個中斷口的目的是為了把側f遠近分開，使得測盆準確度提高。因為近距離側f.反射波衰減少，控制ks延遲時間也應相應減小，而遠距離測t反射波衰減大，控制ke延遲時間也要相應增大，所以，為了使遠近測t分開，本系統采用程序控制，當檢測到是近距離測f時，選用1口對應的比較電路;反之，選用inti口對應的比較電路。
3.5顯示電路
本系統采用四位一體led數碼管顯示所測距離值，如圖8。本系統采用七段譯碼器74hc373作為驅動，外接升壓電阻。數碼管采用動態掃描顯示，好處是對cpu的uo口要求較少，但對電路的干擾較大，注意pcb板的布線和對接收放大電源的穩定性要進行爭嗜處理，否則對其影響很大。這里使用的是共陰極的數碼管，顯示電平使用高電平有效。
4修正誤差
超聲波在發射接收時，有部分超聲波可能沒有經過被側物體反射直接到接收端，導致測f有誤，為避免這種錯誤，本系統通過對單片機所接耘端編程實現。l}開始處于高電平，這時電路不接收信號，延時3。后變為低電平，此時才開始接收信號，也就是通過延時遵免了這種錯誤。波形圖如圖9,a為檢波調整后的輸出信號;;b為在l}作用下的處理信號;c為單片機發出的抑制信號;d為最終送給單片機的信號。當檢波電路收到第一個脈沖信號調整電路的翰出由于信號c低電平(持續時間1.sme的存在而不能被單片機接收。
超聲波在空氣中傳播的速度受溫度影響，如表1，為得到比較精確的測盆結果，通過采用溫度補償的方法實現。即采溫度傳感器(這里用ds1820，該溫度傳感器自帶ad轉換，可直接使用)測得環境溫度，通過軟件編程查表的方法得出超聲波傳播實際速度.再由單片機計算出距離。
5軟件設計
軟件程序上是依據發射一個超聲波脈沖信號后收到物體反射回的脈沖信號通過計數器產生中斷完成數據換算來得到側t的數據，同時led顯示部分平行執行。以上各段程序將被重復執行。以下是完整的測t時序。
5.1程序流程圈
軟件設計主要分為兩大部分:主程序和服務子程序，服務子程序包括接收.顯示，發射子程序。
5.1.1超聲波發射周期定時器(timero)
發射超聲波的周期是依靠timero來控制的，因為它是16位的定時i計數器(65535)，在使用12mhz的晶振時，由于t-llf--1爪12x1061奪lus，則一個機器周期是lus，計數器每65me計數器滋出。
5.1.2超聲波接收周期定時器(timeri)
timer1是用來計算脈沖往返數值的，在其初始化階段應先里零。
5.1.3i,ed顯示周期控制
顯示周期設為2ma，每次在執行接收數據中斷后被重新設里顯示數據，并逐位顯示。
6結論
本系統經過反復調試，修改程序，達到了很好的效果，其主要特點如下:
(1)電源電壓范圍大，耗電f低，整體工作電源為6v直流電源時，側得的電流僅為26mao
(2)距離側t穩定，不漂移，能根據現場溫度適時地修正超聲波在空氣中的速度。
(3)距離精度極高:在3.0米范圍內，測距儀和被測面都穩定的情況下，分辨率可達++/-1mmo
(4)超聲波速度自動校正:聲速因空氣沮度、濕度、大氣壓力等因素的變化而變化，本測距系統能將現場實際的超聲波速度(以1000cnm為標準距離)側f并讀取存人內存作為側f基準，提高各種場合下的測t精度。
(5)度范圍:0℃一+12590，分辨率:o.mo
由于具有硬件結構簡單、工作可靠、側f誤差小，數值稼定等特點，并且能實時地將測f數據上傳給pc機，現該系統已經被上海造紙機械電控技術研究所采用，已用于造紙設備的復卷機的旋轉輥的位移檢測上。
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