摘 要:超声测距是一种传统而实用的非接触测量方法,和激光、无线电测距方法相比,具有不受外界光线及电磁场等因素影响的优点,在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力,且结构简单、成本低,因此,在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了应用。本设计以AT89C51单片机为核心,发射电路74HC04六反相器,接收电路LM741,通过接收到信号放大和整形,最终输出负脉冲给单片机响应中断,通过LED静态扫描方式显示出来。本设计测量范围20cm-2m,误差在2cm左右。
关键词:超声波单片机测距
中图分类号:TP273.5文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)08-0092-01
1 引言
在常温常压下。超声波在理想气体中的传播速度为:
C=√Rrt∕M(m/s)式中,M为气体的摩尔质量;r为气体的定压比热Cp与定容比热cr之比;R为摩尔气体常数;T为热力学温度。对于一定的气体,r、R、M为定值。由公式可知:声速与热力学温度的平方根成正比。在温度T为273.16K、气压为标准大气压情况下,空气中声速的实验值为:C0= (331.45±0.05)m/s,在其他条件保持稳定,计算不同温度时,空气中的声速可用下式计算:C=C0√T+T0∕T0(m/s),式中,T0=273.16K。在实际测量中,我们可以根据声速与温度的关系作相应的温度补偿。超声波测距的方法有多种,如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。超声测距最常用的是渡越时间检测法。其原理为:超声传感器发射超声波,在空气中传播至被测物,经反射后由超声传感器接收反射波,并转化为电信号,测量出发射和接收信号之间的时间差t,即渡越时间。利用,s=vt/2,即可算得传感器与反射点间的距离s,测量距离d=√s2-(h∕2)2,若s≧h,则d≈s;如果使发射、接收传感器非常接近时, h≈0,则d=vt∕2。 其中,d为超声波发射器到被测物体之间的距离; v为超声波在媒体中传播的速度; t为从发射超声波到接收到超声波之间的时间差。
2 超声波传感器系统的构成
超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成。发送器常使用直径为15mm左右的陶瓷振子,将陶瓷振子的电振动能量转换为超声波能量并向空中辐射。除穿透式超声波传感器外,用作发送器的陶瓷振子也可用作接收器,陶瓷振子接收到超声波产生机械振动,将其变换为电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超声波进行检测。
控制部分判断接收器的接收信号的大小或有无,作为超声波传感器的控制输出。对于限定范围式超声波传感器,通过控制距离调整回路的门信号,可以接收到任意距离的反射波。另外,通过改变门信号的时间或宽度,可以自由改变检测物体的范围。
超声波传感器的电源常由外部供电,一般为直流电压,电压范围为12~24V,±10%,再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作。
超声波传感器系统中关键电路是超声波发生电路和超声波接收电路。可有多种方法产生超声波,其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子,但这种方法需要人参与,因而是不能持久的,也是不可取的。为此,在实际中采用电路的方法产生超声波,根据使用目的的不同来选用其振荡电路。
3 电路的调试
通过多次实验,对电路各部分进行了测量、调试和分析。首先测试发射电路对信号放大的倍数,先用信号源给发射电路输入端一个40kHz的方波信号,峰-峰值为3.8V。经过发射电路后,其信号峰-峰值放大到10V左右。40kHz的方波驱动器驱动超声波发射头发射超声波,经反射后由超声波接收头接收到40kHz的正弦波,由于声波在空气中传播时衰减,所以接收到的波形幅值较低,经接收电路放大,整形,最后输出一负跳变,在单片机的外部中断源输入端产生一个中断请求信号。该测距电路的40kHz方波由单片机编程产生,方波的周期为1/40ms,即25μs,半周期为12.5μs。每隔半周期时间,让方波输出脚的电平取反,便可产生40kHz方波。由于12M晶振的单片机的时间分辨率是1μs,所以只能产生半周期为12μs或13μs的方波信号,频率分别为41.67kHz和38.46kHz。本系统在编程时选用了后者,让单片机产生约38.46kHz的方波。
4 结语
超声波传感器是本系统的核心器件,单片机是本系统的控制部分。驱动超声波传感器的40kHz的方波信号,就是由单片机编程产生的。本系统的发射电路采用74HC04六反向器,通过它对单片机产生的方波信号进行放大,以驱动传感器工作。接收电路采用的是LM741,通过接收电路对接收到的信号进行放大和整形,最终再输出负脉冲给单片机响应中断程序。本系统的LED显示部分采用的是静态扫描方式,并用单片机软件译码。单片机内部采用C语言编程,方波信号的产生、时间差的读取、距离的计算以及显示输出的译码都由单片机编程完成。
本设计的超声波测距系统具有测量精度较高、速度快、控制简单方便等优点。测距范围从20cm到200cm,测量精度在±2cm内。测距系统在许多工业现场和自动控制场合,都有很重要的作用。但由于经验不足,电路硬件、软件部分都有不够完善的地方,在今后的学习中会进一步改进。
参考文献
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