超聲波測(cè)距原理

1、一、引言一、引言 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超 聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí) 現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制， 并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也 得到了廣泛的應(yīng)用。 為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲 取距障礙物的距離信息（距離和方向）。本文所介紹的三方向（前、左、右） 超聲波測(cè)距系統(tǒng)，就是為機(jī)器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個(gè) 運(yùn)動(dòng)距離信息。 二、二、 超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距原理 1、 超聲波發(fā)生器 為 了研究和

2、利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？?體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一 類(lèi)是用機(jī)械方式產(chǎn)生 超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型 等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)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(fā)生器。 2、壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā) 生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1 所 示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外 加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共 振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)

3、，便產(chǎn)生超聲 波。反之，如果兩電極間未外加電壓， 當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 這時(shí)它就成為超聲波接收器了。 3、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 圖 1 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 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。 三、三、 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波

4、的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往 返時(shí)間的計(jì)時(shí)，單片機(jī)選用 8751，經(jīng)濟(jì)易用，且片內(nèi)有 4k 的 rom，便于編程。 電路原理圖如圖 2 所示。其中只畫(huà)出前方測(cè)距電路的接線圖，左側(cè)和右側(cè)測(cè) 距電路與前方測(cè)距電路相同，故省略之。 1、40khz 脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射 測(cè)距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用 ucm40 的壓電陶瓷傳感器，它的工作電 壓是 40khz 的脈沖信號(hào)，這由單片機(jī)執(zhí)行下面程序來(lái)產(chǎn)生。 puzel： mov 14h, #12h；超聲波發(fā)射持續(xù) 200s here： cpl p1.0 ；輸出 40khz方波 nop ； nop ； nop ； djnz 14h，here； ret 前

5、方測(cè)距電路的輸入端接單片機(jī) p1.0 端口，單片機(jī)執(zhí)行上面的程序后， 在 p1.0 端口輸出一個(gè) 40khz 的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)三極管 t 放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā) 射頭 ucm40t，發(fā)出 40khz 的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射 200s。右側(cè)和左側(cè)測(cè) 距電路的輸入端分別接 p1.1 和 p1.2 端口，工作原理與前方測(cè)距電路相同。 2、超聲波的接收與處理 接收頭采用與發(fā)射頭配對(duì)的 ucm40r，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒?號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器 ic1a和 ic1b兩極放大后加至 ic2。ic2是帶有鎖定環(huán)的音頻 譯碼集成塊 lm567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1r8c3，電容c4決定 其鎖定帶寬。調(diào)節(jié) r8在發(fā)射的載頻上，則 lm567 輸入信號(hào)大于 25mv，輸出端 8 腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷?qǐng)求信號(hào)，送至單片機(jī)處理。 前方測(cè)距電路的輸出端接單片機(jī) int0 端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高，左、右測(cè) 距電路的輸出通過(guò)與門(mén)