超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)

1、2002年第21卷第8期傳感器技術(shù)（JournalofTransducerTechnology）29超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)路錦正，王建勤，楊紹國(guó)，趙珂，趙太飛（成都理工大學(xué)電子信息工程系，四川成都610059）控制的超聲測(cè)距儀的原理：由要：介紹了利用微處理機(jī)控制單元（MCUmicroprocessorcontrolunit）計(jì)算超聲波自發(fā)射至接收的往返時(shí)間，從而得到實(shí)測(cè)距離。給出了系統(tǒng)構(gòu)成、電路原MCU控制時(shí)間計(jì)數(shù)，理及程序設(shè)計(jì)。并且在數(shù)據(jù)處理中采用了溫度補(bǔ)償和修正量的調(diào)整。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測(cè)距摘準(zhǔn)確度高和流程清晰等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：微處理機(jī)控制單元；超聲波傳感器；測(cè)距；溫度補(bǔ)償中圖分類號(hào)

2、：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：（1000-97872002）08-0029-03DesignofsystemforultrasonicdistancemeasurementinstrumentLUJin-zheng，WANGJian-Cin，YANGShao-guo，ZAOKe，ZAOTai-fei（Deptofelctinfoengin，Chengduuniversityoftechnology，Chengdu610059，China）Abstract：Principleandstructureofultrasonicdistancemeasurementinstrumentbymas

3、terofMCUareintro-duced.WiththecontrolofMCUtooperatethetime-keeping，distancefromtargettooriginalpointisgainedusingiththetimeofultrasonictransmittingbothtothetargetandreflectingbackandthespeedofultrasonicproductWWhichtransmitsintheair.Andsystemstructure，circuitphilosophyandprogrammingarealsospecified.

4、inthetemperaturecompensationandadjustmentofamendmentammountareused，sotheinstrumentprocessofdata，systemhasfeatures：easeofcontrol，stabilityofoperation，cess，；Keywords：microprocessorcontrolunit（MCU）ultrasonicsensor；distancemeasurement；temperaturecom-pe

5、nsation引言器接收，可以測(cè)量聲波的整個(gè)運(yùn)行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)物位的測(cè)量。本儀器是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的液位測(cè)量子功能模塊。測(cè)距儀系統(tǒng)所用傳感器是CUSS100。從而避CUSS100超聲波傳感器采用聲波反射原理，免傳感器直接與介質(zhì)接觸，實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量物位，這一點(diǎn)對(duì)固體散料、粘稠介質(zhì)，固體、液體混合介質(zhì)的物位測(cè)量非常重要。其最佳工作頻率75kz，適于盲區(qū)20cm，脈沖觸中程范圍測(cè)量，最大量程10m，發(fā)模式工作。此類傳感器適應(yīng)強(qiáng)，可在-40!90C環(huán)境下正常工作，散射角最大15 。為測(cè)量更精確，鑒于聲速受溫度影響最大，測(cè)距數(shù)據(jù)處理過程采用了溫度補(bǔ)償。且各種溫度傳感器均可用于本系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償。1.1測(cè)距原理

6、脈沖法測(cè)距的原理如圖1所示。超聲測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來(lái)，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。1超聲測(cè)距超聲波傳感器的工作原理是陶瓷的壓電效應(yīng)。超聲波傳感器在測(cè)量過程中，聲波信號(hào)由傳感器發(fā)出，經(jīng)液體或固體物體表

7、面反射后折回由同一傳感收稿日期：2002-04-0230傳感器技術(shù)第21卷從而激勵(lì)傳感器產(chǎn)生超聲波。觸75kz頻率的方波，發(fā)脈沖的寬度決定75kz方波的個(gè)數(shù)。接收電路接收到回波信號(hào)，經(jīng)放大、檢波、整形成為寬度小于觸發(fā)脈沖的正脈沖。（上升沿觸發(fā)），則MCU收到此脈沖即為停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器內(nèi)的數(shù)值（再乘以機(jī)器周期1!S）圖1Fig1測(cè)距原理Principleofmeasuringdistance首先超聲波傳感器向空氣中發(fā)射聲脈沖，聲波遇到被測(cè)物體反射回來(lái)，若可以測(cè)出第一個(gè)回波達(dá)被測(cè)時(shí)間的2倍。由 2即可算得距離。硬件系統(tǒng)3儀器系統(tǒng)的硬件由中心控制單元M顯示電路、CU、到的時(shí)間與發(fā)射脈沖間的時(shí)間差 ，

8、利用 2，即可算得傳感器與反射點(diǎn)間的距離 ，測(cè)量距離若 " 時(shí)，則 # ，本儀器采用收發(fā)同體傳感器，故 0，則 2 。溫度補(bǔ)償常溫常壓下，空氣近似為理想氣體。超聲波在理1想氣體中傳播速度為 ，式中!為氣體摩爾質(zhì)量；為氣體的比熱比； 為氣體常數(shù)； 為熱力學(xué)溫度。對(duì)于一定的氣體 、!為定值。由公式可知：聲速與熱力學(xué)溫度的平方根成正比。溫度越高聲速越大，溫度越低聲速越小。0C時(shí)，空氣中聲速的實(shí)驗(yàn)值為331 45mS，空氣中聲速表達(dá)式為 331 45mS），由實(shí)驗(yàn)分析得距離計(jì)算公式為fr15（mm），式中N為計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)；fr為參考頻率；"為攝氏溫度； 為距離。在25C時(shí)， 0 173

9、1425XN15（mm）為本儀器的距離計(jì)算公式。電路中未用溫度傳感器，所以僅進(jìn)行常溫下的聲速補(bǔ)償： 346 285mS。在其它情況下，可根據(jù)具體需要而程序會(huì)略有改動(dòng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理框圖見圖2。圖2系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖Fig2Blockdiagramofsystemprinciple功能鍵按下使MCU（微處理機(jī)控制器，俗稱單片機(jī)）激發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖，發(fā)射電路工作應(yīng)發(fā)射發(fā)射接收電路、功能選擇、收發(fā)同體傳感器和電源等。3 1超聲波傳感器人們?yōu)檠芯亢蛻?yīng)用超聲波，已發(fā)明設(shè)計(jì)并制成了許多類型的超聲波發(fā)生器：機(jī)械方式和電氣方式產(chǎn)生超聲波發(fā)生器。實(shí)質(zhì)上，超聲波發(fā)生器即是超聲波換能器：它將其它形

10、式的能量轉(zhuǎn)換成超聲波的能量（發(fā)射換能器來(lái)完成）和使超聲波的能量轉(zhuǎn)換成其它易于檢測(cè)的能量（接收換能器來(lái)完成）。一般是用電能和超聲能量相互轉(zhuǎn)換。電氣方式類型包括：壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械式方式有氣流旋笛、液哨和加爾統(tǒng)笛等。各種類型產(chǎn)生的超聲波的功率、頻率和聲波特性都不相同。目前使用較多的是電氣類中的壓電型超聲波發(fā)生器。而壓電材料有單晶體的、多晶體復(fù)合的，如石英單晶體，鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷復(fù)合晶體（PZ 4，PZ 5）等。壓電型超聲波傳感器的工作原理1，2：它是借助壓電晶體的諧振來(lái)工作的，即陶瓷的壓電效應(yīng)。其結(jié)構(gòu)原理如圖3（a）所示。圖3超聲波傳感器結(jié)構(gòu)原理框圖說(shuō)明Fig3Di

11、agramexplanationforultrasonicsensorsstructureandprinciple 12第8期路錦正等：超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)3l超聲波傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板。當(dāng)它的兩電極加脈沖信號(hào)（觸發(fā)脈沖），若其頻率等于晶片的固有頻率時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號(hào)時(shí)，將壓迫兩壓電晶片振動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的傳感器就成了超聲波接收器。超聲波傳感器用等效電l（如圖（所示）來(lái)分析共振頻率附近的超聲路3b）圖5Fig5發(fā)射、接收信號(hào)波形分析Waveformanalysisoftransm

12、itandreceivesignal電能用 e波換能器的特性：換能器的器械能用 m；此脈沖的寬#把兩個(gè)上升沿處理為一個(gè)脈沖，表示。由圖3（b）分析可知， 恰好是電路的串聯(lián)支路的 值。設(shè)換能器在空載（ l 0）和有載（ ll）時(shí)的 值分別為 m0、 m，則有 m0；l0 0 m 0 l l ；00 l e0 0 0 0； e 0 （00 l）.超聲波換能器的工作效率為! l 0.儀器所用的CUSSl00超聲波傳感器的壓電效應(yīng)曲線如圖4所示。圖中發(fā)射曲線以-l!PaV為基準(zhǔn)，接收曲線以lV!Pa為基準(zhǔn)。由圖可知最佳工作頻率為75kz。圖4發(fā)射和接收的壓電效應(yīng)Fig4Transmitreceivev

13、oltageresponse.2微處理機(jī)控制單元MCU采用了AT89C5l。它控制發(fā)射觸發(fā)脈沖的開始時(shí)間及脈寬，響應(yīng)回波時(shí)刻并測(cè)量、計(jì)數(shù)發(fā)射至往返的時(shí)間差。對(duì)MCU編程，可對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)優(yōu)化處理使測(cè)量誤差降到最低限度。MCU還控制顯示電路，通過串行口的控制脈沖輸出串行數(shù)據(jù)送數(shù)字顯示電路。計(jì)數(shù)方式有兩種方法："在MCU發(fā)觸發(fā)脈沖的同時(shí)開啟Tl，收到回波立即關(guān)閉Tl，這時(shí)Tl的值為超聲波走過的時(shí)間（注意2倍），如圖5所示。度即是理論上與上述相等的結(jié)果。但是"中MCU的Tl時(shí)刻與#方式中的脈沖上升沿時(shí)刻為同一時(shí)刻，且MCU的Tl是在 AT 門和TRl開啟后，等到高電平時(shí)刻才開始計(jì)數(shù)的

14、，亦即自動(dòng)的。而且"用查詢確定回波時(shí)刻，而這樣有可能在兩次查詢之間回波信號(hào)已到達(dá)，這樣就有了計(jì)數(shù)誤差。系統(tǒng)采納#方式。Tl為計(jì)數(shù)器，T0為觸發(fā)脈沖的延時(shí)。延時(shí)的大小等于在這個(gè)范圍內(nèi)的超聲波的往返時(shí)間，大約為ms（l.l549ms）。軟件系統(tǒng)本系統(tǒng)軟件部分與硬件系統(tǒng)配合完成對(duì)超聲波往返時(shí)間的測(cè)量，根據(jù)在一定溫度下超聲波的傳播速度計(jì)算測(cè)量的距離，送數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果。為儀器的適應(yīng)性強(qiáng)、軟件系統(tǒng)的魯棒性能好，編程語(yǔ)言用匯編。系統(tǒng)采用了去除最大、最小值后取平均的方法。為測(cè)量精度、速度，應(yīng)適當(dāng)選取測(cè)量次數(shù)。此儀器取4次測(cè)量。另外，在MCU計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)過程中遇到了數(shù)值溢出的問題。因?yàn)楦↑c(diǎn)數(shù)最大的優(yōu)

15、點(diǎn)就是數(shù)的表示范圍大。但這就涉及定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換，對(duì)通用MCU來(lái)說(shuō)運(yùn)行代價(jià)太高：編程困難、占用更多機(jī)器時(shí)間。本系統(tǒng)巧妙的避開了這類棘手的問題：對(duì)于Mz晶振的MCU，設(shè)1（聲） 343.5ms，smax m，計(jì)數(shù)時(shí)間為58823!s，雙字節(jié)整數(shù)范圍為65，再把時(shí)間換算為距離（mm）會(huì)更小，這樣取平均時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生溢出。測(cè)試分析本儀器應(yīng)用于無(wú)接觸式距離測(cè)量，如測(cè)深、測(cè)高。對(duì)于靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)及慢動(dòng)態(tài)被測(cè)物進(jìn)行精確測(cè)量，數(shù)字顯示結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、體積小、性能可靠等特點(diǎn)。超聲波測(cè)距在采礦、找油和不適人工直測(cè)的距離、深度及高度中推廣應(yīng)用。表l為測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（下轉(zhuǎn)第34頁(yè)）l43l2l05355

16、34傳感器技術(shù)第21卷在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以前先要設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)。其中控制氣體流量模塊設(shè)置C0或N02的氣體體積分?jǐn)?shù)，時(shí)間頻率設(shè)定模塊設(shè)置被測(cè)氣體通氣前后的數(shù)據(jù)采集時(shí)間和數(shù)據(jù)采集間隔，控制加熱電壓模塊則實(shí)現(xiàn)對(duì)4路氣體傳感器電壓的設(shè)定。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，一方面由實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)模塊實(shí)時(shí)顯示氣體傳感器對(duì)被測(cè)氣體的響應(yīng)曲線，另一方面保存數(shù)據(jù)文件模塊把采集到的數(shù)據(jù)存到文件中，直到系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集結(jié)束。2.2系統(tǒng)工作界面及數(shù)據(jù)顯示方式整個(gè)標(biāo)定系統(tǒng)的工作界面分為左右兩部分。界面的左邊是V用來(lái)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地顯示氣iew類視圖，體傳感器的測(cè)試曲線，本系統(tǒng)可以同時(shí)動(dòng)態(tài)地輸出方便使用者對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行8路不同顏色的曲線，比較與分析

17、；界面的右邊是FormV用來(lái)iew類窗體，顯示系統(tǒng)使用者所設(shè)定的測(cè)試條件以及數(shù)據(jù)采集通路，該部分可以顯示出系統(tǒng)使用者所設(shè)定的4個(gè)氣體傳感器的加熱電壓、C0或N02的氣體體積分?jǐn)?shù)值、N2的MFC的控制電壓以及流通C0和N02通氣時(shí)間等等。圖4是氣體傳感器對(duì)C0氣體的一個(gè)響應(yīng)示例。采樣電阻器上的電壓值也趨于穩(wěn)定；在停止通入隨著測(cè)試腔里的C0體積分?jǐn)?shù)C0后繼續(xù)通入N2，的降低直至排空，采樣電阻器上的電壓值也減小直至達(dá)到最初的穩(wěn)定值。圖5是一個(gè)集成氣體傳感器6的響應(yīng)實(shí)例。陣列對(duì)!（N02）!1"10#圖5Fig5氣體傳感器!（NO）=lxlo-6時(shí)的瞬時(shí)響應(yīng)曲線2（NO）Responseof

18、agassensorto!=lxlo-62由于陣列中各傳感器工作在不同的溫度因而表現(xiàn)出不同的靈敏度。3結(jié)束語(yǔ)所組建的半導(dǎo)體氣體傳感器程控標(biāo)定系統(tǒng)能夠在低體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)精確配送測(cè)試氣體，能對(duì)傳感器陣列實(shí)行程控加熱及自動(dòng)采集和顯示傳感器的響應(yīng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)用戶界面方便實(shí)用，數(shù)據(jù)顯示直觀實(shí)時(shí)，極大地簡(jiǎn)化了手工方法的繁瑣操作步驟。參考文獻(xiàn)：圖4Fig4氣體傳感器對(duì)!（CO）=4oxlo-6的瞬時(shí)響應(yīng)曲線（CO）Responseofagassensorto!=4oxlo-6戴國(guó)瑞，高鼎山，等.智能氣敏元件測(cè)試儀的研制1管玉國(guó)，J.儀器儀表學(xué)報(bào)，（：1997，192）223-226.2HarveyL，CoIe

19、sGSV，WatsonJ.ThedeveIopmentofanenvi-ronmentchamberforthecharacterizationofgassensorsJ.Sen-sorsandactuators，1989，16：393-405.所使用的氣體傳感器為旁熱式厚膜燒結(jié)型，它的加熱電壓為5V直流電壓。C0的體積分?jǐn)?shù)為當(dāng)測(cè)試腔里的氣體體!=40>10-6。在圖4中，（C0）積分?jǐn)?shù)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，傳感器的氣敏電阻值不再變化，作者簡(jiǎn)介：任術(shù)波（，男，河北唐山人，大連理工大學(xué)電子系在讀碩1976-）士生，主要從事測(cè)試技術(shù)及儀器研究。!（上接第31頁(yè)）反應(yīng)速度；對(duì)回波信號(hào)處理需要時(shí)間；聲速誤

20、差，當(dāng)表l測(cè)試結(jié)果分析前條件下的實(shí)傳播速度與程序中設(shè)置間的差別；數(shù)Tabl次數(shù)1234環(huán)境溫度（C）25303540Resultanalysisoftestingdada據(jù)處理中整數(shù)與小數(shù)的相乘等等。經(jīng)多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)對(duì)誤差影響因素最大的是溫度的變化，因此，該儀器有待進(jìn)一步改進(jìn)和升級(jí)：如采用溫度傳感器補(bǔ)償聲速等，從而使測(cè)量更精確。參考文獻(xiàn)：王明時(shí).現(xiàn)代傳感器技術(shù)M電子工業(yè)出版社，1金篆芷，.北京：1995.331-335.699-702.6結(jié)束語(yǔ)盡管采取了多種方法以減小測(cè)距誤差，但仍存作者簡(jiǎn)介：路錦正（，男，山東惠民人，碩士研究生，主要研究方向：1975-）音視頻數(shù)據(jù)處理、電子技術(shù)設(shè)計(jì)。測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器、DSP應(yīng)用、在各種主客觀的偏差：對(duì)$的計(jì)數(shù)誤差；傳感器的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次數(shù)：路錦正，