超聲波測(cè)距電路設(shè)計(jì)及使用心得

［電子電路］超聲波測(cè)距電路設(shè)計(jì)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等都可以通過超聲波來實(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、超聲波測(cè)距原理1、超聲波發(fā)生器為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(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工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)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)，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，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、超聲波測(cè)距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)圖2為聲波測(cè)距電路原理圖，圖2為由軟件產(chǎn)生40KHZ脈沖驅(qū)動(dòng)發(fā)射頭，若為簡(jiǎn)化軟件算法，可采用圖3硬件產(chǎn)生40KHZ脈沖，由NE555和反相器CD4069組成驅(qū)動(dòng)電路。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(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。囹3⑶囹3⑶王程序遍程囹囹3Cb）定時(shí)中斷服務(wù)子程序圖3腫）外部中斷服務(wù)子程序圖？超聲波測(cè)距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)前方測(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200ms。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)榻蛔冸妷盒盘?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，發(fā)射超聲波為40KHZ當(dāng)接收到的信號(hào)接近40KHZ時(shí)，則輸出端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，在調(diào)試時(shí)，M567還是很好調(diào)出來的，只要發(fā)射的超聲波頻率是正確的，就很容易調(diào)試出來。在焊接超聲波發(fā)射頭與接收頭時(shí)，會(huì)看到在某個(gè)引腳上有一個(gè)大一點(diǎn)的黑圈，大家或許會(huì)想到是否有方向正反的問題，按照超聲波發(fā)射接收頭原理來說無正反問題，但在實(shí)際使用時(shí)還是要區(qū)分正反，兩個(gè)接收頭有大一點(diǎn)黑圈的正是它們的正方向端，當(dāng)然并不是說接反以后就不能使用，當(dāng)不小心接反后，發(fā)射頭與接收頭還可以工作，本人在使用時(shí)特意測(cè)試過，但信號(hào)強(qiáng)度會(huì)大受影響，接反后信號(hào)強(qiáng)度不到正向接時(shí)的一半，所以為使測(cè)量距離較大，應(yīng)該避免接反使用。還有一個(gè)疑問就是發(fā)射頭與接收頭之間的距離多少合適一些，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)該在4~5cm左右為適。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)距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機(jī)INT1端口，同時(shí)單片機(jī)P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端，中斷源的識(shí)別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級(jí)為先右后左。RE：SETHQRSEN> 圈2麹聲波測(cè)距電爵原理圖工U20R3215KR3O2ECoDISC25Q.OOluFJF25CSBFASHE￡TR]GqTHR各§NE555、￡HU112SHU3CHUIqSHU35GHU1671214133124115106973U21CD4069VCCi￡T33Tz"TTshuiIo~9SHUTC2riO.luF-rp4luF圖3超聲波發(fā)射原理圖IKCHAOSBJS1M=^C3OIPJ6FR7D R71-Wp_ WVf為iFXL2;tT(e偵就扁川:FX3dFZ+7—lOuFVCC| w.―VCC| 5—11C0K1 100K圖4超聲波接收原理圖圖3超聲波發(fā)射是利用硬件產(chǎn)生40KHZ脈沖來驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生波發(fā)射頭工作，由NE555的使能端來控制超聲波的發(fā)射與否，當(dāng)為低電平時(shí)NE555停止工作。圖4為相應(yīng)的接收原理圖。使用LM324做兩級(jí)放大。3、計(jì)算超聲波傳播時(shí)間在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。在發(fā)射頭剛開始發(fā)射超聲波的一瞬間，接收頭會(huì)接收到一定的信號(hào)，但這并不是反射回來的超聲波，所以要利用軟件控制將這個(gè)干擾去除掉，在控制開始發(fā)射超聲波時(shí)延時(shí)一段時(shí)間即可屏去干擾，當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。其部分源程序如下：RECEIVE0：PUSHPSWPUSHACCCLREX0；關(guān)外部中斷0MOVR7,TH0；讀取時(shí)間值MOVR6,TL0?CLRCMOVA,R6SUBBA,#0BBH；計(jì)算時(shí)間差MOV31H,A；存儲(chǔ)結(jié)果MOVA,R7SUBBA,#3CHMOV30H,A?SETBEX0；開外部中斷0POPACC?POPPSW四、 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖3(a)(b)(c)所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主