超聲波傳感器測距原理

1、方一、超聲波測距原理索超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播時碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為V,而根據(jù)計時器記錄的測出發(fā)射和接收回波的時間差t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離S,即：方這就是所謂的時間差測距法。蠅由于超聲波也是一種聲波，其聲速Cf溫度有關(guān)，表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。常溫下超聲波的傳播速度是334米/秒，但其傳播速度V易受空氣中溫度、濕度、壓強等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1C,聲速增

2、加約0.6米/秒。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕū鞠到y(tǒng)正是采用了溫度補償?shù)姆椒ǎ?。已知現(xiàn)場環(huán)境溫度T時，超聲波傳播速度V的計算公式為：嵋V=331.45+0.607T表1聲速與溫BE關(guān)系衰溫度（C）-30-20-100102030100聲速 （米儂）313 1319325 i332338344 349386確定后,只要測得超聲波往返的時間,即可求得距離。這就是超聲波測距儀的機理。蕨二、系統(tǒng)硬件電路設計腿圖2超聲波測距儀系統(tǒng)框圖荽基于單片機的超聲波測距儀框圖如圖2所示。該系統(tǒng)由單片機定時器產(chǎn)生40KHz勺頻率信號、超聲波傳感器、接收處理電路和顯示電路等構(gòu)成。單片機是整個系

3、統(tǒng)的核心部件，它協(xié)調(diào)和控制各部分電路的工作。工作過程：開機，單片機復位，然后控制程序使單片機輸出載波為40kHz的10個脈沖信號加到超聲波傳感器上，使超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波。當?shù)谝粋€超聲波脈沖群發(fā)射結(jié)束后，單片機片內(nèi)計數(shù)器開始計數(shù),在檢測到第一個回波脈沖的瞬間,計數(shù)器停止計數(shù)，這樣就得到了從發(fā)射到接收的時間差t；根據(jù)公式、計算出被測距離，由顯示裝置顯示出來。下面分別介紹各部分電路：蒞1、超聲波發(fā)射電路蜜超聲波發(fā)射電路如圖3所示，89C51!過外部引腳P1.0輸出脈沖寬度為250小s,40kHz的10個脈沖串通過超聲波驅(qū)動電路以推挽方式加到超聲波傳感器而發(fā)射出超聲波。由于超聲波的傳播距離與它的振

4、幅成正比,為了使測距范圍足夠遠,可對振蕩信號進行功率放大后再加在超聲波傳感器上。譽圖3中T為超聲波傳感器，是超聲波測距系統(tǒng)中的重要器件。利用逆壓電效應將加在其上的電信號轉(zhuǎn)換為超聲機械波向外輻射;利用壓電效應可以將作用在它上面的機械振動轉(zhuǎn)換為相應的電信號,從而起到能量轉(zhuǎn)換的作用。市售的超聲波傳感器有專用型和兼用型,專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波。兼用型就是收發(fā)一體,只一個傳感器頭,具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用,稱為可逆元件。黃圖3超聲波發(fā)射電路膂超聲傳感器結(jié)構(gòu)肅超聲波發(fā)生器T是一個超聲頻電子振蕩器，當把振蕩器產(chǎn)生的超聲頻電壓加到超聲換能器的壓電陶瓷上時,壓電陶瓷組件就在電場

5、作用下產(chǎn)生縱向振動。壓電組件在超聲振蕩時，仿佛是一個小活塞，其振幅很小，約為(110.2)Lm,但這種振動加速度很大,Z(10103)gn,于是把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)化為振動能量,這種巨大的超聲波能量,沿著特定方向傳播出來。其關(guān)鍵技術(shù)是使超聲波波束變細,除待測物外不受其它構(gòu)造物的影響。超聲傳感器是產(chǎn)生超聲波必需的能量轉(zhuǎn)換裝置,它把超聲電磁振蕩的能量轉(zhuǎn)換為聲波。.通過上述超聲換能結(jié)構(gòu),配以適當?shù)氖瞻l(fā)電路,可以使超聲能量的定向傳輸,并按預期接收反射波,實現(xiàn)超聲遙控、測距、防盜等檢測功能。贛2、超聲波接收電路噩超聲波接收及信號處理電路是此系統(tǒng)設計和調(diào)試的一個難點。超聲波接收器接收反射的超聲波轉(zhuǎn)換為40KH

6、zt伏級的電壓信號，需要經(jīng)過放大、處理、用于觸發(fā)單片機中斷INT0。一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲂盘栁⑷?，同時根據(jù)反射條件不同信號大小變化較大,需要放大倍數(shù)大約為100到5000倍,另一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲎杩馆^大,這就需要高輸入阻抗的多級放大電路,這就會引入兩個問題:高輸入阻抗容易接收干擾信號，同時多級放大電路容易自激振蕩。參考各種資料最后選用了SONY司的專用集成前置放大器CX2010做到了比較好的效果。月1CX2010的：前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路組成。其中的前置放大器具有自動增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠反射信號輸出微弱電壓時放大器有較高的增益,在近距離輸

7、入信號強時放大器不會過載。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)。其主要指標：單電源5Vtt電，電壓增益77-79DB,輸入阻抗27KQ,濾波器中心頻率30K-60KHz。功能可描述為:在接收到與濾波器中心頻率相符的信號時,其輸出腳7腳輸出低電平。芯片中的帶通濾波器、積分器等使得它抗干擾能力很強。賺CX2010東用8腳單列直插式塑料封裝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4。超聲波接收器能將接受到的發(fā)射電路所發(fā)射的紅外光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)十伏至數(shù)百伏的電信號，送到CX20106勺腳，CX20106勺總放大增益約為80dB,以確保其腳輸出的控制脈沖序列信號幅度在3.55V范內(nèi)?？傇鲆娲笮∮赡_外接的R1、C1決定

8、，R1越小或C1越大，增益越高。C1取值過大時將造成頻率響應變差，通常取為1uf。C2為檢波電容，一般取3.3uf。CX20106采用峰值檢波方式，當C2容量較大時將變成平均值檢波，瞬態(tài)響應靈敏度會變低，C2較小時雖然仍為峰值檢波，且瞬態(tài)響應靈敏度很高，但檢波輸出脈沖寬度會發(fā)生較大變動，容易造成解調(diào)出錯而產(chǎn)生誤操作。R2為帶通濾波器中心頻率f0的外部電阻，改變R2阻值，可改變載波信號的接受頻率，當f0偏離載波頻率時，放大增益會顯著下降，C3為積分電容，一般取330pf，取值過大，雖然可使抗干擾能力增強，但也會使輸出編碼脈沖的低電平持續(xù)時間增長，造成遙控距離變短。腳為輸出端，CX20106處理后

9、的脈沖信號由腳輸出給單片機處理從而獲得顯示輸出。蟻圖4CX20106內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖蟆本系統(tǒng)中應用的接收電路見圖5,當89C51白P1.7為高電平時三級管V1導通,芍圖5超聲波接收電路蔗3、距離顯示電路圖6顯示電路+5Vfe源通過繼電器線圈和V1的發(fā)射結(jié)到地，使繼電器K1接通，R2WR時聯(lián)組成5。電阻通過Clffl成RCfe路，控制紅外接收專用集成電路CX20106勺增益，使其7腳輸出一定幅度的電壓信號到89C5伯P0.2口以觸發(fā)中斷。另外該芯片價格在三到五元，非常節(jié)省系統(tǒng)成本售ALS1制5臺ob0sbO日膀7U?nALSl64L5v百CM-0bdbdb0k7IALS164E06一Q藏超聲波顯示電

10、路如圖6所示。是利用單片機的用彳T輸出。只用單片機的TXDRX端即可顯示數(shù)字建三、軟件程序設計螞本系統(tǒng)采用模塊化設計，由主程序、發(fā)射子程序、接收子程序、定時子程序、顯示子程序等模塊組成，圖8為程序流程圖。該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當按下測量鍵時，主程序開始調(diào)用發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時子程序，并把測量結(jié)果用顯示子程序在數(shù)碼顯示器上顯示出來。8軟件程序框圖羋定時器中斷子程序外部中斷服務子程序蒞四、具體程序薄#include<reg51.h>蔽#include<math.h>蜜/*定義數(shù)據(jù)類型*/蟆#defineuintunsignedint蹇#define

11、ucharunsignedchar芃/*定義系統(tǒng)常數(shù)*/薇longinttime;/*時間*/裊bitCLflag;/*測量標志*/蠅#defineT12us(256-12)/*定時器設初值T=(256-T12us)*12/12MHZ*/>/*定義功能位，串口用于顯示*/肄sbitVOLCK=P1.0;/*發(fā)射*/袁sbitMING=P3.2;/*外部中斷0檢測接收信號*/禳charidatadisp9;/*顯示數(shù)據(jù)*/蝕charidatanumber9;/*顯示數(shù)據(jù)*/莆charcodetable=0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01

12、,0x09;薅/*碼表0,1,2,3,4,5,6,7,8,9*/方voiddispfb()/*顯示5位數(shù)據(jù)*/蕆chari;蒄for(i=0;i<5;i+)肄dispi=tablenumberi;聿disp3=disp3+1;/*置小數(shù)點*/#for(i=0;i<6;i+)wSBUF=dispi;while(TI=0);TI=0;童腿/*通用延時子程序*/薄voiddelay(intj)箍inti;for(i=0;i<j;)i+;裂/*初始化定時器，CTC0、CTC1用于定時*/蓬voidinit_CTC(void)芨TMOD=0x21;/*設CTC1工作于模式2*/節(jié)ET0

13、=0;/*不允許CTC0中斷*/范*/*/蒈voidinit_INT()/*外部中斷初始化為高優(yōu)先級，并開中斷荽螞IP=0x01;/*置外部中斷INT0優(yōu)先級為高*/輻TCON=0;/*設置外部中斷0的中斷方式為電平觸發(fā)蔓薄voidserve_INT0()interrupt0蒞螂/*外部中斷0，用于檢測接收信號*/芾TR0=0;/*關(guān)閉定時器0*/贛EX0=0;/*關(guān)中斷*/蝴time=(long)TL0;蒂time+=(long)TH0*256;箴CLflag=1;B芄/*CTC1中斷服務程序，12.5us中斷一次,用于發(fā)射*/量voidCTC1_INT()interrupt3蔓蕆VOLCK

14、=VOLCK;董cshu+;腿voidCTC0_INT()interrupt1菱肅TR0=0;蔓ET0=0;艿*/蚄voidTimetojuli()/*將測量的時間轉(zhuǎn)換為距離longi;i=(long)time;i=i*340;i=i/2;number4=i/10000000;/*十米*/i=i-number4*10000000;number3=i/1000000;/*米*/i=i-number3*1000000;number2=i/100000;/*分米*/i=i-number2*100000;number1=i/10000;/*厘米*/i=i-(long)number1*10000;num

15、ber0=i/1000;/*毫米*/蚆uchargetkey();/*讀鍵盤*/蒙/*主程序*/賺voidmain()肇螂inti,key;褻init_CTC();/*初始化定時器*/袂init_INT();/*初始化外部中斷*/聿CLflag=1;/*測量標志*/滕for(i=6;i>4;i-)dispi=0xff;前cshu=0;螞delay(200);袆IE=0x80;芍ET1=0;螂TR1=0;蒂awhile(1)薇菜key=getkey(衿if(key=0x0fe量蟋/*傳數(shù)*/*延時*/;/*開中斷ET0=0;TR0=0;TL1=T12us;TH1=T12us;);/*讀鍵盤

16、&&CLflag=1)key=0;CLflag=0;*/*/*測量*/cshu=0;TL1=T12us; TH1=T12us;蟋TL0=0;TH0=0;/*定時器0的初始時間襖TR0=1;/*啟動定時器0，開始記時*/芄TR1=1;/*啟動定時器1，發(fā)送信號*/蠆*/蔗ET1=1;袈while(cshu<12);滕ET1=0;/*發(fā)十個脈沖串*/螃TR1=0;聿delay(95);量EX0=1;蒞while(!CLflag);膂if(cshu>=10&&CLflag=1)»Timetojuli();蟆dispfb();蝸蔽薁螈螅ucharg

17、etkey()弋筮charflag;衿ucharkey,keytemp;肄flag=0;嵋keytemp=P1;建if(keytemp=0xff)return(255);蝸else黃flag=1;艘delay(100);袂key=P1;新if(key=keytemp)return(key);蒞elsereturn(255);著蔽蜜五、實驗結(jié)果及分析蟆表2是利用本文的測距儀進行實際測量的結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可見，在20150cm范圍內(nèi)誤差相對較?。恍∮?0cm范圍內(nèi)誤差較大，這是因為超聲波距離測量存在一定范圍的盲區(qū)，盲區(qū)的出現(xiàn)是因為發(fā)出信號必須有一個上升時間，當距離太近時計算機系統(tǒng)已不能處理迅速返回

18、的反射波信號，所以距離小于0.2米測量誤差明顯增加。舞300cmz后的數(shù)據(jù)誤差明顯增大，這是由于發(fā)射功率不夠大，接收到的信號很微弱，引入了一些干擾因素。但電路引入溫度補償電路后總的實驗結(jié)果誤差在厘米級，基本上可以滿足測量要求。用實際距薇20.030.040.050.060.070.090.0100.0離/cm測量結(jié)果/cm19313951606988100誤差%53.332.5201.432.220實際距離/cm130.0150.0200.0220.0240.0260.0280.0300.0測量結(jié)果/cm126147195221235251270312誤差%3.0822.50.452.083.463.574表2測距儀實測結(jié)果結(jié)束語本系統(tǒng)利用超聲波傳感器實現(xiàn)無接觸式空氣測距，沒有考慮環(huán)境溫度對超聲波傳遞速度的影響，故本系統(tǒng)在常溫下具有測量精度高、抗干擾能力強、反應速度快等特點，可適用于各種水文液位測量、障礙物的識別以及車輛自動導航等領域，因此具有廣闊的應用前景。僅供個人用于學習、研究；不得用于商業(yè)用途Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;