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高精度超声波测距系统设计
作者:admin 发布时间:2015/11/20 14:48:50 浏览次数:2739
介绍了利用超声波传感器实现无接触式空气浏距的原理和硬件组成，并充分考虑到浏全环境滋度对超声波传递速度的影响，通过沮度补偿的方法对传递速度予以校正，而且可以马上检浏声波在现场的传接速度并校采纳，因此具有非常高的浏全精度，能实时地将浏1数据上传给pc机，具有硬件结构简单、工作可金、浏贵误差小等特点，现该产品已经被上海造纸机械电控技术研究所用于造纸设备复卷机的旋转棍位移检浏上，实戏证明达到了各项指标的要求。
超声波是由机械振动产生的，可在不同介质中以不同的速度传播。由于超声波指向性强，能童消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测t，如测距仪和物位测t仪等都可以通过来实现。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测t、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点，检测比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。
1超声波传感器
1.1超声波发生器
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上可以分为两大类:一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。
1.2压电式超声波发生器原理
是借助压电晶体的谐振来工作，即陶瓷的压电效应。超声波传感器有两块压电晶片和一块共振板。当它的两电极加脉冲信号必发脉冲)，若其频率等于晶片的固有频率时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。
2超声波测距原理
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。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限;声波幅值检测法易受反射波的影响。本仪器采用超声波渡越时间检测法。其原理为:枪测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到库碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度随温度变化，其对应值如表1，根据计时器记录的时间，，就可以计算出发射点距障碍物的距离问，即:s=vrl2a
3硬件模块的实现及工作原理
本系统由单片机at89c2051控制，包括发射电路，接收放大，检波，整形和显示几部分电路组成，如图1
3.1超声波发射电路
发射电路如图2，信号由单片机at89c2051的两个定时/计数口to(p3.4)和t1(p3.5)正负交替发出一连申40kh:脉冲波。由t_-ljf,得f-25ue，所以发射的脉冲波正负分别是12u和13u。当to为高电平，t1为低电平时，上半部分电路工作，下半部分电路不导通，信号经三极管放大后，驱动变压器翰出低电平信号，同理，当钧为高电平，t1为低电平时，变压器物出高电平信号，这样，通过'po,t1的正负交替，发射电路发射出一连申40khz超声波。发射波形图如图3。这里要注意一点:在'ib,tl都是低电平时，会有一个中间状态，应避免翰出烧坏三极管。
3.2妞声波接收放大电路
由于反射回来的超声波信号非常徽弱，所以接收电路需要将其进行放大。接收电路如图4。接收到的信号先经102电容藕合，然后加到运算放大器ne5532上进行两级放大。第一级放大倍数为rr5/rr2，为16倍，第二级放大倍数为15倍，两级放大的同相端都加了一个比较电压2.5v和一个104电容，其目的是为了去掉电像和反射信号共同作用的小毛刺纹波电压。
这里运算放大器采用nfs532不仅是因为其噪声低，频带宽，还因为与同类运放相比其共模抑制比kcmr=100db较大，电源电压抑制比ksvr_100db较小.翰人偏t电压vios--0.sma较小，输人偏里电流iios=1oma较小，因而工作性能较好，并且价格不贵.易于做成产品推广。
3.3检波电路
放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多个脉冲波解调成多个大脉冲波。这里使用的是in60检波二极管，它的高频特性很好，输出的直流信号即两二极管之间电容电压，为检波前信号，。为检波后信号。
由于发射的超声波有部分可能未经反射就直接到超声波接收端，导致侧盆错误，这里ka的作用就是为了屏蔽未经反射的干扰信号。本系统通过单片机对ke的控制来控制检波电路工作，ks端为低电平，电路相当于开路，则检波电路不工作;ke为高电平，则检波电路工作。程序通过对ks端高低电平的控制来控制检波电路的工作，从而控制整个接收电路。在信号发射后，延时一定的时间，开耘，检波电路开始工作，这样有效避免了因未经反射的信号引起的测童误差。
3.4比较整形电路
如图6，该电路是用来把反射信号转换为标准电平信号，通过整形把检波后得到的不标准的脉冲波整形为标准脉冲波。在这里是通过使用lm324中的一个运放用做比较器来实现的。检波器得到如图7信号a，通过运放和一门限电压比较得到如图7信号b，这里门限电压是用来去除检波后的背景噪声电压。整形后的信号送到单片机n刊，inti口请求中断。
在比较电路前加了一个电压跟随器，目的是减小干扰。采用两个中断口的目的是为了把侧f远近分开，使得测盆准确度提高。因为近距离侧f.反射波衰减少，控制ks延迟时间也应相应减小，而远距离测t反射波衰减大，控制ke延迟时间也要相应增大，所以，为了使远近测t分开，本系统采用程序控制，当检测到是近距离测f时，选用1口对应的比较电路;反之，选用inti口对应的比较电路。
3.5显示电路
本系统采用四位一体led数码管显示所测距离值，如图8。本系统采用七段译码器74hc373作为驱动，外接升压电阻。数码管采用动态扫描显示，好处是对cpu的uo口要求较少，但对电路的干扰较大，注意pcb板的布线和对接收放大电源的稳定性要进行争嗜处理，否则对其影响很大。这里使用的是共阴极的数码管，显示电平使用高电平有效。
4修正误差
超声波在发射接收时，有部分超声波可能没有经过被侧物体反射直接到接收端，导致测f有误，为避免这种错误，本系统通过对单片机所接耘端编程实现。l}开始处于高电平，这时电路不接收信号，延时3。后变为低电平，此时才开始接收信号，也就是通过延时遵免了这种错误。波形图如图9,a为检波调整后的输出信号;;b为在l}作用下的处理信号;c为单片机发出的抑制信号;d为最终送给单片机的信号。当检波电路收到第一个脉冲信号调整电路的翰出由于信号c低电平(持续时间1.sme的存在而不能被单片机接收。
超声波在空气中传播的速度受温度影响，如表1，为得到比较精确的测盆结果，通过采用温度补偿的方法实现。即采温度传感器(这里用ds1820，该温度传感器自带ad转换，可直接使用)测得环境温度，通过软件编程查表的方法得出超声波传播实际速度.再由单片机计算出距离。
5软件设计
软件程序上是依据发射一个超声波脉冲信号后收到物体反射回的脉冲信号通过计数器产生中断完成数据换算来得到侧t的数据，同时led显示部分平行执行。以上各段程序将被重复执行。以下是完整的测t时序。
5.1程序流程圈
软件设计主要分为两大部分:主程序和服务子程序，服务子程序包括接收.显示，发射子程序。
5.1.1超声波发射周期定时器(timero)
发射超声波的周期是依靠timero来控制的，因为它是16位的定时i计数器(65535)，在使用12mhz的晶振时，由于t-llf--1爪12x1061夺lus，则一个机器周期是lus，计数器每65me计数器滋出。
5.1.2超声波接收周期定时器(timeri)
timer1是用来计算脉冲往返数值的，在其初始化阶段应先里零。
5.1.3i,ed显示周期控制
显示周期设为2ma，每次在执行接收数据中断后被重新设里显示数据，并逐位显示。
6结论
本系统经过反复调试，修改程序，达到了很好的效果，其主要特点如下:
(1)电源电压范围大，耗电f低，整体工作电源为6v直流电源时，侧得的电流仅为26mao
(2)距离侧t稳定，不漂移，能根据现场温度适时地修正超声波在空气中的速度。
(3)距离精度极高:在3.0米范围内，测距仪和被测面都稳定的情况下，分辨率可达++/-1mmo
(4)超声波速度自动校正:声速因空气沮度、湿度、大气压力等因素的变化而变化，本测距系统能将现场实际的超声波速度(以1000cnm为标准距离)侧f并读取存人内存作为侧f基准，提高各种场合下的测t精度。
(5)度范围:0℃一+12590，分辨率:o.mo
由于具有硬件结构简单、工作可靠、侧f误差小，数值稼定等特点，并且能实时地将测f数据上传给pc机，现该系统已经被上海造纸机械电控技术研究所采用，已用于造纸设备的复卷机的旋转辊的位移检测上。
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