KC10110109-i12電子設(shè)計(jì)應(yīng)用超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)

1、超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)一、系統(tǒng)方案比較與選擇 方案一：利用分立模塊的超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)包括超聲波測(cè)距模組、LED數(shù)碼顯示模組、驅(qū)動(dòng)模組控制模組及電源五部分。超聲波測(cè)距模塊主要由發(fā)射部分和接收部分組成，超聲波的發(fā)射受主控制器控制（如圖1所示）；超聲波換能器諧振在40KHz的頻率，模塊上帶有40KHz方波產(chǎn)生電路。顯示模塊是一個(gè)8位段數(shù)碼顯示的LCD；測(cè)量結(jié)果的顯示用到三位數(shù)字段碼，格式為X點(diǎn)XX米，同時(shí)還用兩位數(shù)字段碼顯示數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。電源采用9V的DC電源輸入，經(jīng)穩(wěn)壓管后得出5V以及3.3V的電源供系統(tǒng)各部分電路使用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1 超聲波測(cè)距模塊組硬件框圖優(yōu)點(diǎn)：具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、出錯(cuò)管理功能。缺點(diǎn)

2、：能測(cè)的最小距離比較長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)雙向測(cè)距，電路復(fù)雜性能穩(wěn)定性不高。方案二：基于PIC16F876A單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀超聲波測(cè)距儀主要以單片機(jī)PIC16F876A為核心，其發(fā)射器是利用壓電晶體的諧振帶動(dòng)周?chē)諝庹駝?dòng)來(lái)工作的.超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(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)，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。一般情況下，超聲波在空氣中的傳播速度為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=340×t/2， 這就是常用的時(shí)差法測(cè)距。在測(cè)距計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)中，采用了相關(guān)計(jì)數(shù)法，其主要原理是：

3、測(cè)量時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)先給發(fā)射電路提供脈沖信號(hào)，單片機(jī)計(jì)數(shù)器處于等待狀態(tài)，不計(jì)數(shù)；當(dāng)信號(hào)發(fā)射一段時(shí)間后，由單片機(jī)發(fā)出信號(hào)使系統(tǒng)關(guān)閉發(fā)射信號(hào)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)起始時(shí)的同步;當(dāng)接收信號(hào)的最后一個(gè)脈沖到來(lái)后，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。雙向超聲波測(cè)距儀的系統(tǒng)主要有幾下部分組成（如圖2所示）： LED顯示模塊，PIC16F876A芯片，超聲波發(fā)射模塊，超聲波接收模塊，電源模塊等五大模塊組成。圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖優(yōu)點(diǎn)：雙向測(cè)距，精度高，功耗低。在電路中我們采用PIC芯片它的優(yōu)點(diǎn)是：精簡(jiǎn)指令使其執(zhí)行效率大為提高；徹底的保密性；其引腳具有防瞬態(tài)能力，通過(guò)限流電阻可以接至220V交流電源，可直接與繼電器控制電路相連，無(wú)須

4、光電耦合器隔離，給應(yīng)用帶來(lái)極大方便?；谏鲜鰞煞N方案的比較，方案一，測(cè)量盲區(qū)較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且穩(wěn)定性不高。方案二，能進(jìn)行雙向測(cè)距，精度高，功耗低，模塊簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高。所以選用方案二。二、理論分析與計(jì)算1、測(cè)量與控制方法聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長(zhǎng)的目標(biāo)物體阻擋時(shí)就會(huì)發(fā)生反射；反射波稱(chēng)為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間可以測(cè)量得到，從聲波到目標(biāo)的距離就可以精確地計(jì)算出來(lái)。這就是本系統(tǒng)的測(cè)量原理。超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)由于此超聲波測(cè)距儀可以實(shí)現(xiàn)雙向測(cè)距，所以需進(jìn)行測(cè)距選擇，而這個(gè)測(cè)距選擇就以自

5、動(dòng)選擇功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。2、理論計(jì)算圖4 測(cè)距的原理如圖4所示為反射時(shí)間法，是利用檢測(cè)聲波發(fā)出到接收到被測(cè)物反射回波的時(shí)間來(lái)測(cè)量距離其原理如圖所示，對(duì)于距離較短和要求不高的場(chǎng)合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過(guò)測(cè)量回波時(shí)間T利用公式S=C*(T/2) 其中，S為被測(cè)距離、V為空氣中聲速、T為回波時(shí)間（T=T1+T2），可以計(jì)算出路程，這種方法不受聲波強(qiáng)度的影響，直接耦合信號(hào)的影響也可以通過(guò)設(shè)置“時(shí)間門(mén)”來(lái)加以克服。這樣可以求出距離：S=C(T1-T2)/2本次設(shè)計(jì)是用555時(shí)基電路振蕩產(chǎn)生40Hz的超聲波信號(hào)。其振蕩頻率計(jì)算公式如下：f=1.43/(R9+2*R10)*C5)三、電路與程序設(shè)計(jì)1

6、、檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)A、器件選擇：本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要選取了以下一些器件：1.PIC16F876A：測(cè)距儀的核心單片機(jī)2.HEF4052B：雙4通道的模擬選擇器/分配器3.NE5532P：雙低噪聲運(yùn)算放大器B、芯片介紹：PIC16F876A：28引腳器件有3個(gè)I/O端口，而40/44-pin裝置有5。28引腳器件有14中斷，而該裝置有40/44-pin 15。28引腳器件有5個(gè)A / D輸入渠道，而40/44-pin裝置有8。其引腳圖如圖5所示。圖5 PIC16F879A系列引腳圖NE5532P：1引腳A放大器輸出，2引腳A放大器反相輸入端，3引腳A放大器同相輸入，4引腳負(fù)電源，5引腳B放大

7、器同相輸入端，6引腳B放大器反相輸入端，7引腳B放大器輸出，8引腳正電源。其引腳圖如圖5所示。圖6 NE5532P引腳圖HEF4052B：HEF4052B是雙4通道的模擬選擇器/分配器，即可作為從4路的輸入信號(hào)中選擇一路作為輸出的選擇器 ，也可作為將一路輸入信號(hào)分配到4路輸出通道中的一路輸出的分配器。通道之間是雙向的。IC內(nèi)置的譯碼器有4個(gè)間接的模擬開(kāi)關(guān)輸出，對(duì)2*4個(gè)通道進(jìn)行選擇/分配。MT#用作對(duì)AV1，AV2/DVD(共用),YPRPB/VGA（共用），TV四路伴音信號(hào)的選擇。其引腳圖如圖6所示。1腳、2腳、4腳、5腳的Y0B to Y3B和11腳、12腳、14腳、15腳的Y0A to

8、Y3A為獨(dú)立的輸入/輸出通道；9腳A1、10腳A0為地址輸入（選擇端）；6腳E為使能端（低電平有效）；3腳ZB、13腳ZA為公用的輸入/輸出通道；7腳VEE為輸入/輸出信號(hào)的下限值；8腳VSS為接地端；16腳VDD為供電端。其引腳圖如圖7所示。圖7 HEF4052B引腳圖以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱(chēng)為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則

9、將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。C、發(fā)射電路原理：圖8 發(fā)射電路原理 由圖9所示發(fā)射部分由高頻振蕩器、單脈沖發(fā)生器、編碼調(diào)制器、功率放大器及超聲換能器組成。 單脈沖發(fā)生器在振蕩器的每個(gè)周期內(nèi)都被觸發(fā)，產(chǎn)生固定脈寬的脈沖序列，來(lái)自單片機(jī)的編碼信號(hào)對(duì)脈沖序列進(jìn)行編碼調(diào)制，經(jīng)功率放大后，通過(guò)超聲換能器發(fā)射超聲波。圖9 發(fā)射電路組成圖由555型電路組成多諧振蕩器，它的振蕩頻率為40kHz。RPI用來(lái)校準(zhǔn)振蕩頻率。多諧振蕩器產(chǎn)生的40kHz的脈沖由3腳輸出，經(jīng)D1、D2兩級(jí)緩沖、整形后，通過(guò)超聲波發(fā)射器UCM40-T向外發(fā)射。D、接收電路原理：圖10 接收電路原理本電路包括超聲波接收頭，電壓器、檢波電路和單穩(wěn)態(tài)

10、延時(shí)電路，如圖11所示。超聲波接收頭 UCM4a-R將運(yùn)動(dòng)物體反射的超聲波接收并轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)后，由R5、C4組成的高頻濾波電路濾除干擾脈沖后，經(jīng)RP2分壓調(diào)節(jié)，由C5、R6藕合至電壓放大器進(jìn)行電壓放大。RP2兼作超聲波接收頭的負(fù)載與接收靈敏度的調(diào)節(jié)電位器。圖11 接收電路組成圖E、穩(wěn)壓電源在各種電子設(shè)備中，直流穩(wěn)壓電源是必不可少的組成部分，它是電子設(shè)備唯一的能量來(lái)源，穩(wěn)壓電源的主要任務(wù)是將50Hz的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓和電流，從而滿(mǎn)足負(fù)載的需要，直流穩(wěn)壓電源一般由整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)組成。其電路圖如圖11所示。其中，變壓器將交流電源（220V/50Hz）變換位符合整流電路所需要的

11、交流電壓；整流電路是具有但方向?qū)щ娦阅艿恼髌骷瑢⒔涣麟妷赫鞒蓡畏较蛎}動(dòng)的直流電壓；濾波電路濾去單向脈動(dòng)直流電壓中的交流部分，保留直流成分，盡可能供給負(fù)載平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路是一種自動(dòng)調(diào)節(jié)電路，在交流電源電壓波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，通過(guò)此電路使直流輸出電壓穩(wěn)定。F、顯示電路原理 超聲波測(cè)距儀顯示模塊如圖12所示。通過(guò)單片機(jī)的15、16、17三個(gè)管腳的信號(hào)控制三個(gè)三極管的B級(jí)，利用三極管的開(kāi)關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的點(diǎn)亮，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。圖12 顯示模塊采用LED動(dòng)態(tài)顯示，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)PIC芯片的計(jì)算后傳到LED上，顯示精度是厘米。2、總體電路圖 本系統(tǒng)采用雙向測(cè)距，通過(guò)雙向收發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩方發(fā)送分別由

12、082D和NE5534P兩個(gè)運(yùn)放來(lái)控制，將信號(hào)放大由超聲波傳感器發(fā)送；再經(jīng)過(guò)超聲波傳感器接收，由變壓器進(jìn)行耦合經(jīng)三極管放大，將左右（分別由紅綠兩盞燈區(qū)分）兩組數(shù)據(jù)送入CD4052數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇，選出信號(hào)強(qiáng)（測(cè)量距離近）的那個(gè)信號(hào)送入PIC主芯片，再由PIC進(jìn)行處理將結(jié)果送到數(shù)碼管顯示。其總體電路圖如圖13所示。圖13 超聲波測(cè)距儀總體電路圖3、軟件設(shè)計(jì)與工作流程圖超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算

13、（計(jì)算距離時(shí)），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)），所以控制程序可采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。程序流程如圖14所示：圖14 軟件設(shè)計(jì)流程框圖其工作流程是：上電后首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，緊接著調(diào)用顯示子程序，顯示完后判斷有沒(méi)有超聲波被接收，若有，則停止計(jì)時(shí)并將計(jì)時(shí)值送入距離計(jì)算子程序，然后將所測(cè)距離顯示1秒，最后返回進(jìn)行下一輪液位測(cè)量，若沒(méi)有信號(hào)進(jìn)來(lái)，則繼續(xù)調(diào)用顯示子程序。其流程圖如圖15所示。圖15 工作流程圖四、系統(tǒng)調(diào)試超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試都比較簡(jiǎn)單，其中超聲波發(fā)射和接收采用15的超聲波換能器TCT40-10F1（T發(fā)射）和TCT40-10S1（R接收），中心頻率為40kHz，安

14、裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線(xiàn)平行并相距48cm，其余元件無(wú)特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C4的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)的范圍為0.105.0m，測(cè)距儀最大誤差不超過(guò)1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。1 超聲波測(cè)距誤差

15、分析 1、發(fā)射接收時(shí)間對(duì)測(cè)量精度的影響分析 采用 TR40 壓電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機(jī)控制，發(fā)射頻率 40KHz ，忽略脈沖電路硬件產(chǎn)生的延時(shí)，可知由軟件生成的起始時(shí)間對(duì)于一般要求的精度是可靠的。對(duì)于接收到的回波，超聲波在空氣介質(zhì)的傳播過(guò)程中會(huì)有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。 設(shè)測(cè)量設(shè)備基準(zhǔn)面距被測(cè)物距離為h，則空氣中傳播的超聲波波動(dòng)方程為：由以上公式可知，超聲波在傳播過(guò)程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。 經(jīng)以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過(guò)程中衰減很大，收到的回波信號(hào)可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個(gè)回波確定準(zhǔn)確的接受時(shí)間，必須對(duì)收到

16、的信號(hào)進(jìn)行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時(shí)間，會(huì)對(duì)超聲波測(cè)量精度產(chǎn)生影響。 2、當(dāng)?shù)芈曀賹?duì)測(cè)量精度的影響分析 當(dāng)?shù)芈曀賹?duì)超聲波測(cè)距測(cè)量精度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比收發(fā)時(shí)間的影響嚴(yán)重。超聲波在大氣中傳播的速度受介質(zhì)氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響，即： 由上式知，在空氣中，當(dāng)?shù)芈曀僦粵Q定于氣體的溫度，因此獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)貧鉁乜梢杂行У奶岣叱暡y(cè)距時(shí)的測(cè)量精度。工程上常用的由氣溫估算當(dāng)?shù)芈曀俚墓饺缦拢?式中C0=331.4m/s ； T為絕對(duì)溫度，單位K 。 此公式一般能為聲速的換算提供較為準(zhǔn)確的結(jié)果。實(shí)際情況下，溫度每上升或者下降 1oC, 聲速將增加或者減少 0.607m /s ，這個(gè)影響對(duì)于較

17、高精度的測(cè)量是相當(dāng)嚴(yán)重的。因此提高超聲波測(cè)量精度的重中之重就是獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)芈曀佟?2 提高精度的方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì) （1）溫度校正的方法提高測(cè)距精度 由上述的誤差分析知，如果能夠知道當(dāng)?shù)販囟龋瑒t可根據(jù)公式 求出當(dāng)?shù)芈曀?，從而能夠獲得較高的測(cè)量精度。而問(wèn)題的關(guān)鍵在于獲得溫度數(shù)據(jù)的方法。采用熱敏電阻、熱電耦、集成溫度傳感器都可以獲得較為準(zhǔn)確的溫度值。 為了便于對(duì)溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集及處理，我們采用 DALASS 公司生產(chǎn)的 DS18B20 集成溫度傳感器。 DS18B20 采用了 DALASS 公司的 1-WIRE 總線(xiàn)專(zhuān)利技術(shù)，能夠僅在占用控制器一個(gè) I/O 口的情況下工作（芯片可由數(shù)據(jù)線(xiàn)供電），極

18、大的方便了使用者的調(diào)試使用，而且其在 10oC 85oC 的工作環(huán)境下可以保持± 0.5% 的使用精度，在這個(gè)空間內(nèi)足以保證為超聲波測(cè)距設(shè)備提供足夠的精度范圍。 通過(guò) DS18B20 芯片獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)由 1-WIRE 總線(xiàn)傳至 MCU ，由軟件進(jìn)行聲速換算。為了更好的實(shí)現(xiàn)換算過(guò)程同時(shí)兼顧設(shè)備的使用成本，我們采用宏晶公司的最新推出的 STC12C5410 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的各項(xiàng)功能。 STC12C5410 采用了低成本、低功耗、強(qiáng)抗干擾設(shè)計(jì)，并且在最高支持 48MHz 的前提下能夠?qū)崿F(xiàn) 1 個(gè)時(shí)鐘 / 機(jī)械周期的運(yùn)行速度。由于能夠使用高頻率的晶振，因此相對(duì)于普通單片機(jī)來(lái)說(shuō)可以有

19、效的減少由計(jì)時(shí)問(wèn)題帶來(lái)的量化誤差，能夠滿(mǎn)足較高精度超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)要求。 （2）標(biāo)桿校正的方法提高測(cè)距精度 在復(fù)雜環(huán)境下，如果難于獲得環(huán)境溫度，或者不便獲得環(huán)境溫度時(shí)，如果仍舊要求較高的測(cè)量精度，我們采用所謂標(biāo)桿校正的方法實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距精度的校正。標(biāo)桿校正的示意圖如圖15 所示。圖16 標(biāo)桿校正的示意圖超聲波測(cè)距裝置首先測(cè)量距離已知為 h 的基平面（標(biāo)桿）聲波往返所用的時(shí)間，而后由測(cè)得的時(shí)間和距離 h 根據(jù)公式 求出當(dāng)?shù)芈曀?。通過(guò)這樣的方法，我們也能夠順利的求出聲速，省去了使用傳感器測(cè)量溫度所帶來(lái)的麻煩。因此，只用為測(cè)距設(shè)備設(shè)定“標(biāo)定”和“測(cè)量”兩種狀態(tài)，即能夠?qū)崿F(xiàn)溫度校正所能實(shí)現(xiàn)的高精度測(cè)

20、距功能。3、測(cè)量結(jié)果按照設(shè)計(jì)的硬件電路和軟件，做成成品，調(diào)試好后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1和表2所示。其中表1為左邊測(cè)距數(shù)據(jù)（綠燈亮?xí)r），表2為右邊測(cè)距數(shù)據(jù)（紅燈亮?xí)r）。測(cè)量單位：cm。表1 左邊測(cè)距數(shù)據(jù)實(shí)際距離12131415161718192025測(cè)量距離13141516171819212326誤 差0111111331實(shí)際距離303540455061708090100測(cè)量距離313741465061708090100誤 差1211000000實(shí)際距離130150200250270280300310315320測(cè)量距離130149199247269277298308312318誤 差

21、0113132232實(shí)際距離323327333338343348352359362367測(cè)量距離325330335340345350355360365370誤 差2322223133表2 右邊測(cè)距數(shù)據(jù)實(shí)際距離13141516171819202530測(cè)量距離13151617171819203631誤 差0111000011實(shí)際距離3540455060708090100130測(cè)量距離3641465160697991100131誤 差1111011101實(shí)際距離150200250270280300310315320325測(cè)量距離150199249269279299309314319325誤 差0111111110實(shí)際距離330335340345350355360365370測(cè)量距離330335339344349355359364369