一種多方位超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)

1、第21卷第6期2007年11月甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)󰀁󰀁文章編號(hào):1672-691X(2007)06-0064-02一種多方位超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)王進(jìn)花,黃󰀁玲(蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院,甘肅蘭州730050)摘󰀁要:由于超聲波對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)、信息處理簡(jiǎn)單、速度快等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、移動(dòng)機(jī)器人、物體識(shí)別等方面,但它也存在一些缺陷使得測(cè)量的準(zhǔn)確度受到影響.基于對(duì)超聲波測(cè)距原理和超聲波特點(diǎn)的研究,針對(duì)回波信號(hào)弱,方向性差的缺陷,為了實(shí)現(xiàn)在某些特殊場(chǎng)合(如井下測(cè)量、能源勘探)的測(cè)距以及提高測(cè)量強(qiáng)度

2、,提出了一種多方位超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)思想.關(guān)鍵詞:超聲波;鍋形天線;測(cè)距儀中圖分類號(hào):TP274+.53󰀁󰀁󰀁文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0󰀁引言超聲波測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式.目前在液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、移動(dòng)機(jī)器人、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用1.超聲波測(cè)距儀信息處理簡(jiǎn)單、速度快,但它也具有一定的局限性,主要表現(xiàn)在探測(cè)波束角過(guò)大、方向性差.本設(shè)計(jì)采用一對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的超聲波接收和發(fā)送探頭,通過(guò)角度補(bǔ)償和距離補(bǔ)償,可以靈活、準(zhǔn)確地測(cè)量周圍環(huán)境障礙物的距離,同時(shí)采用鍋形天線來(lái)會(huì)聚信號(hào),提高強(qiáng)度和測(cè)量的準(zhǔn)確度.如果溫度變化不大,并且無(wú)特殊精度

3、要求,可認(rèn)為聲速是基本不變的,否則,必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償.溫度補(bǔ)償通常先按照式(2)計(jì)算當(dāng)前聲速C,然后再按照式(1)計(jì)算距離.超聲波利用接收發(fā)射波來(lái)進(jìn)行距離的計(jì)算,因而不可避免的存在發(fā)射與反射之間的夾角,其大小為2󰀁.當(dāng)󰀁很小時(shí),可直接按式(1)進(jìn)行計(jì)算得到距離;當(dāng)󰀁較大時(shí),則必須進(jìn)行距離修正,修正公式為S=cos󰀁󰀁C󰀁t/2.(3)2󰀁系統(tǒng)原理框圖1󰀁基本原理聲音的傳播速度與介質(zhì)的種類、溫度有關(guān),一般說(shuō)來(lái),介質(zhì)的密度越高傳播的速度越大;溫度越高傳播的速度越大.超聲波

4、是指振動(dòng)頻率大于20kHz以上的,人在自然環(huán)境下無(wú)法聽(tīng)到和感受到的聲波.超聲波測(cè)距的原理可簡(jiǎn)單描述為:發(fā)射電路定期發(fā)射超聲波,遭遇障礙物時(shí)發(fā)生反射,發(fā)射波經(jīng)由接收器接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào),這樣只要測(cè)出發(fā)送和接收的時(shí)間差,然后按照下式即可求出距離2圖1󰀁系統(tǒng)原理框圖S=C󰀁t/2.(1)󰀁󰀁式中,C為超聲波在空氣中的傳播速度.0󰀁時(shí)為331m/s,25󰀁時(shí)為347m/s,其與環(huán)境溫度T(󰀁)的關(guān)系如下式3C=331.4+0.61󰀁T.(2)󰀁󰀁

5、;由此可見(jiàn),聲速與溫度密切相關(guān).在應(yīng)用中,收稿日期:2007-09-04.3󰀁要解決的關(guān)鍵問(wèn)題(1)要實(shí)現(xiàn)多方位超聲波測(cè)距時(shí),若用多對(duì)超聲波接收和發(fā)送探頭及相應(yīng)的數(shù)碼顯示管,不但浪費(fèi)了系統(tǒng)資源和原材料,增加了程序的復(fù)雜性,而且一旦發(fā)射波偏離障礙物會(huì)造成探測(cè)失誤.故作者簡(jiǎn)介:王進(jìn)花(1978-),女,甘肅蘭州人,蘭州理工大學(xué)講師,主要從事檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)研究.第6期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁&#

6、983041;󰀁王進(jìn)花等:一種多方位超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁65󰀁采用一對(duì)超聲波接收和發(fā)送探頭,一組數(shù)碼顯示管,只是將超聲波探頭轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),但若轉(zhuǎn)動(dòng)角速度過(guò)快,數(shù)碼管會(huì)來(lái)不及顯示,肉眼看不清楚;若轉(zhuǎn)動(dòng)角速度過(guò)慢,不同方向的數(shù)據(jù)在一段較短的時(shí)間內(nèi)不能全部采集,達(dá)不到所要求的效果.需找到一個(gè)平衡,超聲波探頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度選為30度/秒,在每次調(diào)用

7、超聲波發(fā)射子程序后,作一次延時(shí),數(shù)碼顯示管較穩(wěn)定.(2)超聲波探頭轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)時(shí),探頭接收到的超聲波信號(hào)會(huì)減弱很多,為此,一方面采用鍋形天線來(lái)會(huì)聚信號(hào),同時(shí)產(chǎn)生了角度差󰀁和距離差R,須采用角度補(bǔ)償和距離補(bǔ)償,補(bǔ)償公式分別為3S=cos󰀁󰀁C󰀁t/2,S=2R.(4)(5)信號(hào),遠(yuǎn)距離情況下回波更弱,為此要將該信號(hào)放大幾千倍,信號(hào)經(jīng)放大、整形后,電路產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖使微處理器產(chǎn)生中斷.圖3󰀁發(fā)送/接收電路原理圖4󰀁結(jié)束語(yǔ)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)硬件電路和軟件的合理設(shè)計(jì),本系統(tǒng)能完成對(duì)周圍環(huán)境障礙物距離的準(zhǔn)確測(cè)量并及時(shí)報(bào)警

8、,使用數(shù)碼管以厘米為單位顯示距離,方便于井下等特殊場(chǎng)合測(cè)距,有較高的測(cè)量強(qiáng)度和準(zhǔn)確度.參考文獻(xiàn):1劉玉芹,劉敬文.超聲波測(cè)距儀在移動(dòng)機(jī)器人避障中的應(yīng)用J.儀器儀表學(xué)報(bào),2006,27(6):1559-1560.2曹玲芝,任亞萍,劉建.超聲波避撞預(yù)警系統(tǒng)的研究J.單片機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,2006,22(11):93-95.3王瑞.基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的研制J.地質(zhì)裝備,2006,7(6):28-30.4林元新.超聲波測(cè)距和汽車防撞雷達(dá)的設(shè)計(jì)J.汽車電器,2006,16(12).53-55.5吳研,劉蘇莉.超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.工業(yè)控制技術(shù),2006,32(6):87-89.6栗桂鳳,周東輝,王光聽(tīng).基于超聲波傳感器的機(jī)器人環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)J.傳感器技術(shù),2005,24(4):4-6.圖2󰀁超聲波測(cè)距原理圖另一方面將單片機(jī)輸出的40kHz方波信號(hào),經(jīng)過(guò)放大,再經(jīng)過(guò)阻抗匹配電路后,驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭,使發(fā)射換能器接收高電壓,經(jīng)過(guò)換能器發(fā)出40kHz脈沖超聲波.當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)產(chǎn)生反射波,反射波返回到超聲波傳感器上,盡管發(fā)射部分的脈沖電壓比較高,但是由回波引起的接收壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓幅度近距離為毫伏級(jí)的MoreThanoneBearingUltrasonicTelemeterSenorDesignWANGJin-hua,HUANGLin(Lanz