超聲波測(cè)距模塊

超聲波測(cè)距 系統(tǒng) 超聲波工作原理 超聲波應(yīng)用 超聲波發(fā)射 頭研究 超聲波發(fā)射電路電路設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距 接收 方案 設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距 特點(diǎn)及 影響因數(shù) 軟件設(shè)計(jì) 參考文獻(xiàn) 總結(jié) 超聲波測(cè)距原理： 超聲波在相同的傳播媒體里 (大氣條件 ) 傳播速度相同 , 即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化 , 波動(dòng)的傳播方向與振動(dòng)方向一致 , 是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波 , 它是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播的 , 波動(dòng)方程描述方法與電磁波是類似的 。 式中 , A (x ) 為振幅 , A 0 為常數(shù) , 為圓頻率 , t 為時(shí)間 , x 為傳播距離 , k= 2 /為波數(shù) , 為波長(zhǎng) , 為衰減系數(shù)。衰減系數(shù) 與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為 =af2 （ 3） 式中 , a 為介質(zhì)常數(shù) , f 為振動(dòng)頻率。在空氣里 , a =210 - 13 s2/cm, 當(dāng)振 動(dòng)的聲波頻率 f = 40kHz (超聲 波 ) 代入式 (3) 可得 a = 3.2 10-4 cm-1 , 即 1/= 31m；若 f = 30 kHz, 則 1/= 56m。它的物理意義是 : 聲波在空氣媒質(zhì)里傳播 , 因空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因 , 能量被吸 收損耗。在 (1/) 長(zhǎng)度上 , 平面聲波的振幅衰減為原來的 e 分之一 , 由此可以看出 , 頻率越高 , 衰減得越厲害 , 傳播的距離也越短?？紤]實(shí)際工程測(cè)量要求 ,在設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀時(shí) , 選用頻率 f = 40kHz 的超聲 波 , 波長(zhǎng)為 34000/40000=0.85cm。 超聲波 測(cè)距 應(yīng)用： 1. 超聲波流量計(jì)： 測(cè)量水的流速，這是因?yàn)槌暡ㄊ且环N機(jī)械波，依靠介質(zhì)才能傳播，其傳播方向受介質(zhì)運(yùn)動(dòng)影響，因此，水可以改變傳播方向。進(jìn)而可以 做出超聲波流量計(jì)，可應(yīng)以 自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測(cè)量。還適用于下水道、農(nóng)業(yè)灌渠、河 流等流速的測(cè)量 。 2. 超聲波測(cè)距儀：用以測(cè)量液位、井深、 管道長(zhǎng)度、建筑測(cè)量、厚度測(cè)量等。 3. 報(bào)警器：盲人探路器、防盜報(bào)警等 4. 定位系統(tǒng)：用以探測(cè)超聲波發(fā)射源位置，在生活中有重要意義，如 人說話、呼吸的時(shí)候不光產(chǎn)生聲波，同樣也會(huì)產(chǎn)生部分超聲波，呼出的氣體分子與空氣分子碰撞就產(chǎn)生超聲波。氣管漏氣，輪胎漏氣，閥門泄漏、閥門氣蝕、齒輪運(yùn)行、電暈放電等都會(huì)產(chǎn)生超聲波。 通過接收器看以看出哪里有漏洞。 超聲波發(fā)射 頭研究 ： 保持 vi不隨 f 變化，測(cè)量數(shù)據(jù)如下：（頻率單位： khz，輸出電壓為峰峰值，單位 V） f 10 20 30 35 38 40 42 45 50 51 52 53 55 60 Vo 9.52 8.16 6.08 5.44 4.32 3.76 4.32 6.48 3.28 1.6 1.92 6.8 8.32 6.32 jeck02468100 20 40 60 80f/KHZVop_p/vVo 從圖中可以得出結(jié)論： 超聲波發(fā)射的串聯(lián)諧振頻率有兩個(gè)，一個(gè)是 40khz，一個(gè)是 51khz； 其對(duì)應(yīng)的阻抗分別為： 1.27k和 381 方案一 超聲波發(fā)射電路 1 2U 3 A4 06 93 4U 3 B4 06 95 6U 3 C4 06 99 8U 3 D4 06 913 12U 3 F4 06 911 10U 3 E4 06 9C00 .0 1 ufC 1 10 .0 1 ufTP 1. 0 圖 1-1 由單片機(jī)產(chǎn)生 40KHz 的方波， 并通過單片機(jī)的 P1.0 口接到 CD4069，而后面的 CD4069 則對(duì) 40KHz 頻率信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以使超聲波傳感器產(chǎn)生諧振。 超聲波發(fā)射電路信號(hào)走向 圖 1-2 超聲波接收電路 1 2 3 4 5 6 7 8C X 2 01 0 6C33 30 p+C23 .3 uC13 .3 nR52 20 kR45R21kR31 00R71 5kRR61 0kV C CQ29 01 4Q39 01 8D1L E DV C CP 3. 2 圖 1-3 當(dāng)超聲波接收頭收到發(fā)射信號(hào)時(shí)，便通過 CX20106 進(jìn)行前置放大、限幅放大、帶通濾波、峰值檢波和比較、積分及施密特觸發(fā)比較得到解調(diào)處理后的信號(hào)。 7腳為信號(hào)輸出口，沒收到信號(hào)時(shí)為高電平，收到后變?yōu)榈碗娖剑笥只?復(fù)高電平。 （ a）為接收信號(hào)，（ b）為有源峰值檢波，如圖 1-4 圖 1-4 CX20106 使用 超聲波接收電路使用了集成電路 cx20106AI 到。 cx20106A 是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控系統(tǒng)中作接收預(yù)放用的雙極型集成電路，可用來代換多種型號(hào)的遙控接收集成電路。 CX20106A 的內(nèi)電路框圖及信號(hào)流向如圖 1-4 所示。 CX20106 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如下： 圖 1-5 集成電路 Cx20106A 可用來完成信號(hào)的 放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和 波形整形 等功能，各部分參數(shù)值如表 1-1所示。其中的前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)，放大器有較高的增益，在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過載 ；其帶通濾波器中心頻率可由芯片腳 5的外接電阻調(diào)節(jié)，不需要外接電感，可避免外磁場(chǎng)對(duì)電路的干擾，可靠性較高。 CX20106A 接收超聲波有很高的靈敏度和抗干擾能力，可以滿足接收電路的要求。同時(shí)，使用集成電路 也可以減少電路之間的相互干擾，減小電噪聲。 CX20106 主要引腳說明 （ 表 1-1） ： 腳號(hào) 符號(hào) 引腳名稱 說明 1 IN 信號(hào)輸入端 該腳輸入阻抗約為 40 士 5k9 2 RC RC 網(wǎng)絡(luò)連接端 該腳與地間接有 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，用來確定前置放大器 的頻率特性和增益。電阻增大，電容值小，則增益低 :反則高。但電容不宜過大，否則瞬態(tài)響應(yīng)速度會(huì)降低。 3 c 檢波電容連接端 該腳與地間連接著檢波電容。電容量大為平均值檢 波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度低 ；電容量小，則為峰值檢波， 瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈寬變動(dòng)大，易造 成遙控誤動(dòng)作。 4 GND 接地端 5 f。 帶通濾波器中心頻 率設(shè)置端 該腳與電源間所接電阻 R 用來設(shè)置帶通濾波器的中 心頻率 f。 6 330p 積分電容連接端 該腳所接的積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330PF。當(dāng)其容量值 變大，則外部噪波干擾增強(qiáng)，而且輸出脈沖的低電平 持續(xù)時(shí)間增加，遙控距離變短。 7 OUT 信號(hào)輸出端 該端口為集電極開路輸出端。該腳和電源之間連接一 只 R3電阻后，輸出脈沖低電平的標(biāo)準(zhǔn)值約為 0.2V。 8 Vcc 供電電源端 （ 5士 0.3） V 表 1-1 CX20106 參數(shù)表 （ 表 1-2） ： 表 1-2 當(dāng)電阻在 200k220k時(shí)， f。 =40kHZ 左右。 引腳 6接 330p 的電容 3接 3.3uf 的電解電容 引腳 2：用以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，及增益，實(shí)際使用 情況如下： 測(cè)試條件： RC網(wǎng)絡(luò)連接端 中 R1=5 ,Vcc=5V，測(cè)量距離為單程，以下為粗略值，僅供參考 C1 104 103 472 332 102 手指發(fā)聲距離 1.5m 0.75m 0.5m 0.3m 0.2m 測(cè)量距離 10m 以上 9m 7m 6m 5m 表 1-3 此電路制作成功，能夠測(cè)量 20cm-3m間的距離，顯示最小值為 1cm。 遇到的問題 -已解決 ： 超聲波 T和 R不能太近，如 3cm， 否則 CX20106 很容易受到干擾使圖 1-3 的發(fā)光二極管不停地閃爍， CX20106 的增益在 74db 以上，很高，很容易受到干擾信號(hào)的影響，實(shí)際相隔 6cm 時(shí)解決了此問題。 V C CVDDQ1s 80 5 0R01 00P 1. 1R11K等待解決的問題： CX20106 當(dāng) 1 腳接的超聲波探頭 T 靠近電源 時(shí)，如果 RC 網(wǎng)絡(luò)連接的 C比較大時(shí)會(huì)受到電源的干擾，使LED 閃爍。 如果超聲 波軟件開始發(fā)射時(shí)，啟動(dòng) CD4069電源，發(fā)射完后關(guān)閉 CD4069 的電源， VDD 為 CD4069的電源端，其方法是利用單片機(jī)的 P1.1 口來控制CD4069 的電源開與關(guān)。其電路如圖 1-6。實(shí)驗(yàn)效果表明，在本方案中 CX20106 會(huì)受到干擾，我想可能是電源穩(wěn)定受到該影響。然而方案二利用 LM324 來做接收時(shí) ，原先多次顯示出來的數(shù)據(jù)只有少數(shù)是正確測(cè)量出來的結(jié)果， 利用此圖 1-6 的方法確實(shí)減少了很大的干擾， 但 仍然有點(diǎn)干擾， 多次顯示出來的數(shù)據(jù)只有少數(shù)是 不 正確的結(jié)果 。 圖 1-6 方案二 發(fā)射電路如下圖 1-7 1 2U 3 A4 06 93 4U 3 B4 06 95 6U 3 C4 06 99 8U 3 D4 06 913 12U 3 F4 06 911 10U 3 E4 06 9C00 .0 1 ufC 1 10 .0 1 ufTP 1. 0V C CVDDQ1s 80 5 0R01 00P 1. 1R11K 圖 1-7 單片機(jī) P1.0 為超聲波脈沖發(fā)射端， P1.1 為超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路 CD4069 電源控制端，當(dāng)要發(fā)射超聲波時(shí)啟動(dòng) CD4069 的電源，發(fā)射后關(guān)閉其電源，以減小超聲波 T 帶來的干擾 ,因?yàn)殡娫纯赡懿皇鞘址€(wěn)定，含有很小的高頻的交流成分，盡管很小，但傳到超聲波發(fā)射端 T時(shí)，會(huì)發(fā)射出去，引起接收的干擾 。 本發(fā)射電路在一定程度上減小了 T 對(duì) R 的干擾。要進(jìn)一步減小其干擾，就是讓 VDD=VCC，同時(shí) 要求電源絕對(duì)的穩(wěn)定，不受 Q1開關(guān)的影響，否則接收電路 LM324 電壓比較的參考電壓將會(huì)受到影響。 超聲波接收電路如圖 1-8 圖 1-8 此接收電路 接收到的超聲波信號(hào) 經(jīng)過三級(jí) 20*20*10=2000 倍左右的放大?？梢詼y(cè)量高達(dá) 3m遠(yuǎn)的距離，然后給 LM358 做電壓比較得到 TTL 方波信號(hào)給單片機(jī)接收。 此電路優(yōu)點(diǎn)：為一個(gè) 40khz 的帶通濾波器，就是 Q值過低， 此電路有以下缺點(diǎn)：第一： LM324 其對(duì) 40khz 的信號(hào)放大時(shí)，放大倍數(shù)受到頻率高的限C1 1nf2 31411U1ALM324_NSCRR2 1KR1 100kC3 1nfR4 1K567411U2BLM3249108411U1CLM324_NSCR9 100KR7 1KC4 1nfR10100KR5 10kR6 10kVCCP3.2VCCC20.1ufVCCC7 100pfR3100kVCCR8 100D1 LED0482 31U?ALM358C110.1uf 制， 即增益帶寬積 fH*Au， 使放大倍數(shù)最高位 20，這是經(jīng)過示波器多次數(shù)據(jù)測(cè)量和觀察的結(jié)果。 第二：電源不 能很穩(wěn) 定 ，沒有做穩(wěn)壓塊，會(huì)使 LM358 電壓比較器的參考電壓 受到波動(dòng)，只要有一點(diǎn)波動(dòng)會(huì)使反向放大器波形受到破壞 ，這個(gè)電壓穩(wěn)定相當(dāng)重要 。 第三：帶通濾波效果差， Q 值低 ，因而外界干擾信號(hào)或噪聲干擾也得到比較大的放大。 此電路制作只是半個(gè)成功，即可以測(cè)量距離，但有時(shí)顯示不正確。 超聲波測(cè)距注意問題及改善方法 a.溫度影響測(cè)量精度 ： 穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測(cè)量精度的必要條件 .。而超聲波在空氣中 傳播時(shí)，其速度受到了溫度、濕度、粉塵、大氣壓、氣流等因素的影響。其中溫 度影響最大，超聲波在空氣中的速度與溫度的關(guān)系表達(dá)式為 : 由泰勒公式展開可近似為 c=331.5+0.607t 式中， t是環(huán)境攝氏溫度 ( )。所以，溫度每變化 1， 波的速度變化為 0.6m/s?？梢姕囟葘?duì)聲速影響很大，測(cè)量時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 b.超聲波在空氣中傳播 經(jīng)過多條相隔很近的路徑 多次 來回 影響，解決方法有兩個(gè)：第一是超聲波發(fā)射間隔時(shí)間增長(zhǎng)；第二就是超聲波 發(fā)射模塊做小，同時(shí)探頭T與 R平行于電路板，減小其來回反射路徑。 c.提高超聲波發(fā)射功率 ，可以增加測(cè)量距離，可以采用變壓器實(shí)現(xiàn)升壓。 d.超聲波發(fā)射頭和接收頭由于靠的很近， 容易受到發(fā)射的干擾，應(yīng)該盡量避免 余波的干擾。 從圖 1-9中可以看到，當(dāng)發(fā)射超聲波脈沖時(shí)，幾乎在同一時(shí)刻收到了。解決方法：一個(gè)是增加 T/R 之間的安裝距離，第二就是軟件解決，在發(fā)射完后 ，延長(zhǎng)一段時(shí)間再開啟檢測(cè)超聲波發(fā)射的信號(hào)。這就是超聲波存在最小測(cè)量距離的主要原因。 圖 1-9 e.避免手接觸超聲波電路板，容易產(chǎn)生干擾。 f.提高電源的穩(wěn)定性 g.測(cè)量距離時(shí)，應(yīng)盡量保證 ,傳感器軸線與被測(cè)物表面垂直； h.實(shí)際測(cè)距范圍與被測(cè)物表面材料有關(guān)，一般不要測(cè)量表面為毛料的物體表面 ； 超聲波對(duì)色彩、 關(guān)照度不敏感，可用于識(shí)別透明及漫反射性差的物體 (如玻璃、拋光體 )；？ 對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中 ；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 優(yōu)點(diǎn)： 物美價(jià)廉，一對(duì)超聲波探頭 ,如 型號(hào) T/40-16 只要 4.5 元； 體積小，易于集成化 參考文獻(xiàn) ： 1.新編單片機(jī)原理與應(yīng)用 第二版 潘永雄編著