超声波测距系统设计方案.docx
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超声波测距系统设计方案
超声波测距系统设计方案
超声波测距系统作为一种经典的非接触式测量技术,包含了电子,材料,物理等学科的知识理论,其应用领域也十分的广泛。
超声波作为声波的一种,有着和声波同样的性质：
它的产生来源于振动,另外,在不同物体中的传的速度也是不一样的。
超声波测距传感器在粉尘多,光线暗或有其他电磁干扰的情况下,性能几乎不受影响,所以,现代社会中,许多地方都可以用到。
例如：
建筑施工测量,智能机器人,汽车倒车雷达,油箱液位测量等。
1．1 系统设计背景
在过去许多科学家的研究基础之上,我们已经知道用许多种不同的方法来测距,不再局限于传统的简单的接触式测量器具,我们今天的电子技术正以飞一般的速度向前推动着大量非接触式测距仪的发展。
近几十年以来,关于非接触式测量系统的研究包含以下几类：
激光,微波,红外线及超声波。
这其中,激光的测量精度较高,但其有个很大的缺点,就是极易受到周围环境的影响,而且激光测距系统后期的检测和维护成本较高,所以会产生较高的费用,很难推广到日常生活和工作中去,一般用于高端专业领域,如军事类。
而对于微波雷达测距来说,电路部分的制作成本就非常之高,也只用于专业领域,如军事和工业类。
红外线测距虽然造价便宜,但其不能达到高精度,且方向性不好。
另外,红外线传播速度为3×108米/秒,速度之快,相较于超声波在普通情况下的速度来说,红外线是超声波的八十多万倍。
因此,利用超声波测距能大大增加时间〔同样的距离下,使得测量更容易,误差更小。
超声波测距系统的优势在于：
<1>可以用于空气中,液面下和固体等传播介质中测量,应用灵活；
<2>不易受光影响,在黑暗及烟雾环境下都可使用,不易受电磁场影响,使人可以远离这些恶劣工作环境；
<3>制作起来不复杂,该成品预计价格不贵,而且体积不大,还非常容易集成；
由于超声波测距系统具有以上这些特点而被广泛的应用。
随着现代电子技术的发展,超声波测距技术在汽车制作,国防安全,工业制造及日常生活中都随处可见。
目前的系统主要采用单片机微核心,结合温度补偿电路等模块组成,由于计时的精确度和电路的影响,现有超声波的测量区间大致在0.2米到20米之,误差为毫米级,存在几十厘米的盲区。
综上,超声波测距系统应用广泛,为了满足未来技术参数的精度需求,我们需要在高精度方向做出深入研究,解决这个技术难题以面对更加高的市场需求,因此这项技术的研究将有重大的意义。
1．2 国外研究现状
首先,从国外来看,最先的研究记录是18世纪70年代的科学家高尔顿所做的气哨实验,这是我们人们有史以来的第一次通过实验产生的高频声波,后来的30年,超声波的概念仍旧很少有人知道,再加上那时的技术方面的达不到要求,对超声波的研究产生了难以逾越的鸿沟。
直到第一次世界大战爆发,期间关于超声波的研究渐渐地被人们所看重。
一个叫做朗之万的德国科学家用了晶体传感器对超声波进行发射和接收,这项研究是在水下进行的,且只能接频率相对较低的超声波。
这项研究可以用来进行水下通讯,另外,也可用于检测水下物体,如水下潜艇,用于军事领域。
而后,超声波的应用领域的研究也在逐渐扩大,到了1928年,Sokolve首先提出了关于超声波探伤的研究,即利用超声波的特性来检查金属器件是否存在裂痕或者缺损。
又过了两年,另外一个科学家穆尔豪瑟获取了一个德国专利,这个专利是针对超声波检查方法的,这让我们又看到超声波的研究进了一步。
1935年,Sokolve发表了一篇论文,详细的介绍了他的研究结果。
就是在液体的实验槽里进行穿透测试,并记录了穿过实验物的超声能量。
因为在液体之中实验会很容易得观察到波纹。
德国的贝格曼在他的书《超声波》中,比较完整的介绍了大量的超声波的资料。
这是早期的比较系统的资料之一,一直被奉为经典。
关于探伤仪的研究,最早出现于Firsetone和Sprole的论文中。
这是超声波的应用最广的一面。
根据此研究基础,衍生出大量超声波仪器,目前,超声波在无损检测中发挥出无与伦比的作用。
从国来看,目前超声波在测试方面的研究成果比较多。
如国的测试研究所就在超声波测距方向做出了较为系统的研究并发表了诸多相关论著。
这些论著详细的说明了超声波测距的原理。
还留下诸多相关实验的数据结论,如,超声波的传播速度〔即声速的影响因素有哪些,波的特性在传播过程中对测距系统的影响分析。
详细可见于国家测试研究所《超声波原理及实践技术》,作者冒山。
厦大的同峰教授提出了一种针对高精度测距的改进方法。
根据他的结论,测距之所以有误差,是由于对回波的脉冲检验方式有问题。
他根据实验,验证了回波的包络方程,给出了软硬件的设计方案。
在智能机器人研究领域,超声波测距也有不可缺少的作用。
一个高精度的超声波测距系统不仅能准确的引导机器人的行动,而且还能迅速的反馈周围的环境状况,为机器人完成各种复杂工作提供必要的辅助。
我国的超声波测距技术已经趋于成熟,但与发达国家相比,在精度方面还是差一大截,我们想要进入现代化的建设中去,就要提高速度和效率,而这些都是建立在高科技水平,高质量的仪器之上的,所以我们还需加强研究,使得精度达到未来的需求,从而为工业的发展做出贡献。
通过长时间的研究和发展,超声波测距不仅仅是单一的技术了。
而且不断加入各个其他的领域的知识,结合了人类智慧的结晶。
渐渐形成一个深入、实用、值得探讨的专业的研究方向。
通过查询相关资料了解到,我们国家使用的大多数高精度测距系统均来源于进口,这在很大程度上对我国的经济和现代化的发展产生巨大的阻力,因此,我们需要增加在超声波测距系统的研究经费,使我国的测距装置不仅能满足自己本国的需要,还能出口到国外。
２ 超声波测距原理和方案
２.１ 超声波测距的基本理论
２.１.１ 超声波简介
所谓超声波,跟普通声波的区别是频率围不同。
物理学上将它规定为频率在20000赫兹以上的波。
它具有很好的方向性,并且有着非同一般的穿透力。
属于比较容易获取的声能中的一种。
超声波的使用围也是很广的,比如：
测量,测量又分为速度的测量和距离的测量；各种需要杀灭细菌的环境；超声波的能量还可用于破碎物体,用于分割等。
因此不难看出,超声波的应用领域不受限制,即可用于军事也可用于日常生活,对工农业和医疗业也有着巨大作用。
说道超声波的命名来源,顾名思义,超过声音的波,人类的听力是无法接收如此高频率的波的。
虽然如此,但其本质还是声波,因此能满足声波的各种特性,也就是说,声波的规律对于超声波也完全适用。
声波是一种传递了物体运动的能量,比如,桌子被拍打,桌面就会产生上下运动,从而传播声音。
声波的特性很多,首先,声音在同一环境下的传播速度是一个定值。
其次,遇到障碍后一部分声波会被反弹回来。
第三,声波传出去以后,距离越大,衰减也就越大。
最后,也是最重要的一点,超声波传播的方向是直的,这就使得超声波用于测距有了一个很好的基础条件。
２.１.２ 超声波与传播介质的关系
当超声波在通过几种不同的媒介时,在这两个介质交界的地方会发生折射和反射两种现象。
根据物理的反射、折射等定律可知,波的传播遵守如图2-1所示的规则。
超声波沿x正向传播的运动方程为：
〔2-1
〔2-2
其中,A代表超声波的振幅〔质点位移的大小、ω代表角频率、t代表时间、A0则是常数、x代表传播的距离、k=2π/λ代表波数,λ代表波长,α代表衰减的系数。
且有如下关系：
〔2-3
上式中a代表介质常数,f代表振动频率。
超声波的衰减,波在传播当中,由于外界因素的影响,其具有的能会逐渐减小。
造成其减小的原因主要有波的发散、散射等。
其衰减的规律可由以下公式表示：
〔2-4
〔2-5
其中,P0代表声音在x=0时候的声压,I0代表声音在x=0出的声强。
∂代表系数,单位是：
奈培/cm。
其衰减与距离的关系如表2-1所示：
表2-1声波衰减与距离的关系表
L
1
2
5
10
20
40
80
160
200
幅值〔mv
141
112
86
74
52
41
31
8
3
经研究证明,在介质中,声音传播速度会受到环境温度的影响。
通常,超声波在空气中的向各个方向传的速度约为340m/s。
温度变高后,一般情况下速度也会加快,这两者间的关系如表2-2所示：
表2-2声速与温度关系
温度〔℃
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
波速〔m/s
313
319
325
323
338
344
349
386
用公式可表示为：
〔2-6
其中,T代表温度。
２.１.３ 超声波换能器简介
超声波传感器,别名超声波换能器,是超声波测距系统里不可或缺的一个重要元件。
它的主要作用是完成电能和声能的相互转换。
超声波传感器的种类多样化,可分为压电、电磁、磁滞、电动等几类。
以上分类依据是基于实现超声波的传感器声能和电能转换的物理方式。
有一些特殊的材料在接受一定压力是会在其部产生一个电场,这就是我们通常所说的压电效应,而能达到这种效应的材料就是作为超声波传感器的核心部件。
２.２ 超声波测距系统总体设计
超声波测距的具体方式有多种,可以采取检测相位的方式,也可以采取检测幅值的方式,最普遍的度量时间的方式。
具体来说就是,当声波发射出去后,一旦遇到阻挡物就会被反弹回来,我们知道,超声波在空气中相同温度下是的速度是一个定值,所以距离的计算很简单了,只要得到发出和接收到的时间差值,和通过查询表格就能算出距离。
具体计算公式如下：
〔2-7
其中,S为所求距离,T为波来回的时间,V为当前超声波传递的速度。
该测距的原理可简单的表示为图2-2所示：
图2-2超声波测距原理图
系统框图如图2-3所示：
双比较器整形电路
图2-3系统框图
系统工作总流程说明：
首先,系统初始化完成后,测温电路开始工作,DS18B20芯片开始采集环境温度并将最后采集到的数据送入单片机。
AT89C52单片机的一个I/O口发出一个40kHz的方波用于超声波发射电路的输入信号并同时开启计时器并初始化所有子程序,该信号经超声波发射驱动电路的处理后输送到超声波的发射探头。
当信号到达被测目标后,立即被反射回来,而超声波接收探头将接收到的回波信号经行适当的放大。
经过一级放大的信号分两路同时输送到双比较器整形电路中去,如图的A和B即为双比较器整形电路的两个比较器。
其中一路信号经过TGC时间增益补偿电路经行增益处理,然后再次放大,通过双比较器整形电路的A比较器送入单片机。
另外一路信号直接进入双比较器整形电路的B比较器送入单片机。
双比较器设置了不同的阈值,A比较器用于测量远距离的信号,B比较器用于测量近距离的信号,因此不符合的信号会被完全屏蔽掉,系统的精度得到非常大的提升。
单片机收到回波信号后立即经行中断处理,获取时间差值,即可计算出测量的最后结果。
该测量结果由显示电路输出,该显示模块主要由74LS245锁存器来驱动4个LED数码管,采用了动态显示的方法,占用的I/O资源更少,充分发挥了软件作用。
具体电路及芯片选型将在下一章详述。
３ 硬件设计
３.１ 硬件的选型
３.１.１ 主控单片机的选型
本系统中,单片机主要用于控制超声波的发射和接收,与此同时,还要进行准确的时间的记录,也就是说需要在发送的同时启动计时器,并且在接收到回波的时候立刻停止计时并将时间长度值返回,用于计算目标距离。
其次,超声波还要负责控制其他外围电路,比如,本设计中的温度补偿电路采用了一块收发温度信号的芯片,由单片机控制,将环境温度采集后进行查温度与速度表,用于确定当前环境下具体温度,最终目的是获取当前环境的声波的准确传播速度,使得测距结果更加准确。
此外,单片机还需要负责控制显示电路,将测量出的距离的结果通过LED数码管直观的显示出来。
经过研究,选用AT89C52单片机作为电路的主控芯片,AT89C52是Atmel公司的一个经典的MCU,它有着低电压的特点。
是一个八位的高性能CMOS芯片,片有8KBytesISP的只读程序存储器,该存储器可以多次的写入和删除数据,反复使用的次数高达一千次。
拥有可编程的Flash,这些特点表明AT89C52可以满足多种系统的需要,使用的灵活性很高。
AT89C52芯片拥有40个引脚,充足的32个可编程双向I/O口,在该超声波测距系统中,这样多的双向I/O口可以使所有需要的外设电路方便的与单片机连接起来,还有3个16位定时/计数器。
详细来说,P0口：
8位漏极的开路双向输入/输出口,作为输出口时,每位可以驱动8个TTL逻辑电平。
特别地,P0口作为低八位地址/数据口时部没有上拉电阻,使用时需要外接上拉电阻。
不同于P0口的是,P1口是一个部有上拉电阻的双向输入/输出口,缓冲器输出能驱动4个TTL逻辑电平。
P1口的第二功能如表3-1所示：
表3-1AT89C52第二功能说明表
引脚号
第二功能
P1.0
T2〔定时器/计数器T2的外部计数输入、时钟输出
P1.1
T2EX〔定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制
续表3-1：
引脚号
第二功能
P3.0
RXD<串行输入口>
P3.1
TXD<串行输出口>
P3.2
INT0<外中断0>
P3.3
INT1〔外中断1
P3.4
T0<定时/计数器0>
P3.5
T1<定时/计数器1>
P3.6
WR<外部数据存储器写选通>
P3.7
RD〔外部数据存储器读选通
实物图片如图3-1所示：
图3-1AT89C52芯片实物图
３.１.２ 超声波传感器的选型
本设计中选用的是型号为T/R40-18A的压电式换能器,具体参数如表3-2所示：
表3-2T/R40-18A超声波换能器相关参数
型号
中心频率
〔kHz
发射声压最小电平〔dB
接收最小灵敏度
最小宽带
电容
pF
发射
接收
T/R40-18A
40±1
115
-64
6/100
60/-71
2400±25%
该超声波换能器分为发出超声波的部分和接收超声波的部分,电磁的振荡被发射端发出,接着转换为超声波然后发送到外界。
收到的超声波被接收器进行一定的处理,将声音和电这两种能量进行转换,最后使得接收到的信号变为电脉冲信号。
其中T为发出端,R为接收端,它们一般是在同一系统中共存。
工作原理简单总结如下,在输入40kHz的频率下,压电瓷、谐振片会被转变成机械的振动,接着就把超声的这个信号的振动发到外界去。
被发出的超声波向空中各个方向不断传播,碰到物体后就立刻被反射回来。
接收端随即收到回来的这部分超声波,对部的谐振片产生一个谐振,将接收的声波转换为电脉冲信号,接着将转换后的信号输入到放大电路中,然后输出最终信号。
其频率特性为图3-2所示：
声压能级曲线灵敏度曲线
图3-2超声波换能器频率特性
从图中很容易看出,它的声压性能大约在40kHz时最优,灵敏度也同样。
因此该测距系统选用该频率作为传感器的工作频率。
图3-3T/R40-18A实物图
３.１.３ 温度传感器的选型
本设计采用DS18B20单线数字温度传感器作为测量和向单片机输入环境温度数据的核心元件。
DS18B20温度传感器是一个以9位数字信息反映温度值的一个器件,通过一个单线口既可以用来接收也可以用来发送数据到单片机,因此,该芯片使用时只需和单片机用一根连接线即可以达到读取和传送温度值的目的,由于电源和信号是复合起来的,所以不需要另外加一个外界的电源就可以工作。
DS18B20是电子元器件中最早的一个支持"一跟总线"的有三个接口的测量和传递温度的传感器,该优点可以灵活组建电路,而且更加经济,占用的体积更小。
且每个DS18B20芯片都具有一个独一无二的编码,支持物联网的寻址,DS18B20的引脚如图3-4所示：
图3-4DS18B20管脚图
图3-5DS18B20测温芯片实物图
引脚说明如表3-3所示：
表3-3DS18B20温度传感器引脚表
16脚SSOP
PR35
符号
说明
9
1
GND
接地
8
2
DQ
数据输入/输出脚。
对于单线操作：
漏极开路
7
3
VDD
可选的VDD引脚。
注：
上表中没有提到的引脚均为空脚,没有连接。
３.２ ＣＰＵ模块电路的设计
CPU模块主要用于控制各子电路的工作,电路原理图如图3-6所示：
图3-6CPU模块电路图
P0、P2.4-P2.7口用于接显示电路,P3.0〔RXD、P3.1〔TXD用于接串口通信电路,P3.2〔INT0、P3.3〔INT1用于接双比较整形电路的2路输入信号,P1.4用于发送40kHz的脉冲信号给超声波发射电路,P1.6和P1.7用于接时间增益补偿电路的数字电位器。
另外AT89C52的VCC引脚需要外接一个5V直流电源,由电源模块产生,GND引脚接地。
在X1、X2接时钟电路,本设计中,由于测距系统需要采集超声波发送和接收的时间差,需要计时,故选用12MHz的晶振,这样分频后就是整数,能使计时更加精确。
此外,RESET用于接复位电路,当单片机需要复位时按下开关S1,外部复位电路产生2机周以上的高电平,是单片机完成复位。
３.３ 电源电路的设计
由于该系统需要用到5V的电源,为了保证系统的正常运行,设计如下电路,电路原理图如图3-7所示：
图3-7电源电路原理图
该电路主要作用是通过将220V的交流电变为稳定的5V直流电,用于系统的供电。
主要步骤如表3-4所示：
表3-4标准电源电路工作流程
名称
作用
降压
通过变压器将220V降为9V
整流
将得到的9V电源通过整流桥,将交流电变成直流电,这样做的好处是：
即使粗心电源接反,也不用担心单片机会被烧毁
稳压
通过三端正稳压电路7805将电源稳压成5V直流电源提供给系统使用
滤波
7805左边两个是降压后的电源滤波电容,大电容旁边并联一个小电容的目的是降低
续表3-4：
滤波
高频阻,大的电解电容等效电感较大,小电容提供一个小阻的高频通道,降低电源的全频带阻。
右边电容是5V电源的滤波电容
直流稳压电源的工作流程如图3-8所示：
图3-8直流稳压电源工作流程图
通过以上步骤即可以得到系统所需的稳定的5伏直流电源,最后在该电源电路中并联了一个二极管,以便于观察系统的运行状态。
３.４ 发射电路的设计
超声波的发射器利用主要是利用超声波发射探头的压电晶体振动从而带动周围空气振动来工作。
超声波发射包括两部分的容：
首先是超声波的发射电路,本设计中选用4069非门组成,当输入口输入的信号为高时,经过反相器变为低电平；当输入口输入信号为低时,经过反相器后变为高电平,这样就实现了振荡的信号,以此来对发射探头进行控制。
其次是超声波发射控制电路,采用软件控制的方式,从单片机P1.4口发出40kHz的方波信号,通过以上驱动电路来使超声波发射探头发射超声波。
超声波的发射电路设计如图3-9所示：
图3-9超声波发射电路原理图
３.５ 接收电路的设计
接收电路主要由三部分组成,用来接收反射回来的超声波信号,超声波换能器将超声信号转变为电信号,虽然完成了声电转换,但得到的这个信号并不能被单片机直接接收,需要通过一定的调理信号经行处理,先将回波信号经行一定的放大。
然后,为了使反射回来的超声波更加稳定,需要设计一个时间增益补偿处理。
最后,为了减小盲区,需要采用双比较器来对远近信号经行比较,接着就可以将处理过的回波信号传入单片机,得到测量距离。
３.５.１ 回波接收及滤波放大电路
由于超声波在传递的过程中能量会衰减,因此,首先我们需要将接收探头接收到的信号进行一定的放大,该放大电路的核心元件为NE5532运放器,这是一个性能较高而噪声较低的双运放器,而且该器件占用的信号和电源的带宽都不高,和大多数的普通运放相比显示出较高的性能。
本设计采用的放大电路如图3-10所示：
图3-10回波放大滤波电路原理图
通过选择合适的基准参考电压,该电路能较好的实现回波电路的放大要求,达到系统需求,在信号通过该电路后被放大和滤波,消除和过滤了因传播而造成的噪声和其他各种多余的信号干扰,使得信噪比达到最大,保证了测距结果的准确性。
３.５.２ 时间增益补偿〔ＴＧＣ电路
超声波的传递一段时间后的衰减特征,即在空中传播时,声波的强度会根据传出的距离的变大而降低,这是由于多种因素造成。
距离增的增加会导致回波信号的幅值衰减,并且衰减呈现指数规律。
也就是说,近距离物体反射的回波幅度稍大,远距离物体反射的回波幅度略小。
因此,我们如果要提高测量的精度,就需要对这部分产生衰减的信号作增益补偿处理。
本设计加入了有时间增益处理作用的放大器,这样一来,距离近的增益小,距离远的增益比较大。
既可以使发射信号的余振幅度降低,也可以同时使持续时问变短。
用这样的方法就能够辨别出近处的信号,盲区也就变小了。
除此之外,还能提高系统的精确度。
根据以上系统要求,设计出如下电路。
该电路主要通过数字电位器变化主化阻值来达到目的。
时间增益补偿电路原理图如图3-11所示:
图3-11时间增益补偿电路原理图
该电路中MAX5161芯片为一个数字电位器,有三十二级抽头。
该数字电位器包含三线串行口实现阻值的调节,阻值为50K。
数字电位器的抽头位置由实验获得的与距离对应的放大增益换算而成,并将此位置参数写入程序存储器中。
系统工作时,单片机通过查表法取得相应的增益,接着通过串行设置不同阻值,从而实现增益作用。
数字电位器由单片机控制,实现起来相对容易,增益效果能按照电路实际要求来做出调整。
时间增益补偿电路效果如图3-12所示：
图3-12时间增益补偿图
３.５.３ 双比较器整形电路
该设计有两个超声波探头,一个用于接收超声波信号,另一个用于发射超声波信号,由于超声波的衍射特性,在测量的距离很近时,会有一个盲区。
超声波发射探头发出的超声波角度在360度以下,而0度到60度最为常见,因为两探头之间有外壳包围,故而超声波是不会直接进入接收器的。
但由于声波特殊的性质,会有一部分声波没有经过发射到反射这个过程,而是直接进入接收端,这是接收端子无法分辨是否为反射信号,从而会导致错误测量。
这是一中无法避免的误差源,因此需要设计一个双比较器整形电路,用于比较两段不同远近的回波信号。
实物测距系统的超声波接收换能器和发射换能器的距离较近,当测量的距离较近时,反射信号的幅值衰减较小,比起衍射产生的波的幅值小很多。
因此只要设定一个恰当的比较器临界值,就能达到屏蔽衍射波的目的,这时反射波就能与衍射波成功的区分开来。
近距离比较器用来处理3cm-50cm的距离的反射波,远距离比较器用来处理50cm-4m的距离的反射波。
具体电路如3-13所示：
图3-13双比较器整形电路原理图
总的来说,经发射回的超声信号首先通过NE5532进行首次放大,其中一路信号进入近距离比较器,经电路处理后进入单片机,这部分电路用来处理近距离〔3cm-50cm的超声波信号。
第二路进到时间增益补偿及放大电路中,用来处理远距离〔50cm-4m的超声波信号。
３.６ 温度补偿电路的设计
由第二章中表2-2声速与温度关系可以看出温度会造成超声波测距的精度降低。
本设计使用数字温度计DS18B20用于获取环境温度,最后通过查表法获得声音的速度。
在章节3.1.3中已经详述了该DS18B20芯片为单线的数字温度传感器,只有三个外接引脚,分别为GND、DQ、VDD。
在-10摄氏度到+85摄氏度之间的测温误差小于0.5摄氏度。
温度补偿电路的具体设计如图3-14所示:
图3-14温度补偿电路原理图
３.７ 显示
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