律师的大学基于超声波传感器测距系统_四川大学测控系

一

超声波测距的原理

超声波测距在使用中不受光线、电磁 波、粉尘等因素的影响，且成本低，

速度快，

检测元件可以不与被测介质 接触，

可测围广，

安装维护方便等诸多优点；

所以超声波 测距系统被应用到越来越多的领域，

如汽车倒车报警装置，

移动机器

人自动避障功能，液位检测，工业现场测距等等。

1

超声波简介

超声波是一种机械波，也是一种纵波；超声波的传播需要介质，比如：水，

空气，固体 等

.

我们知道，人类耳朵能听到的声波频率为

20

～

20000Hz

，由于超声波的下限

频率超 过了人的听觉上限（

20000Hz

）

，故而得名超声波。也就是 说，超声波是频

率高于

20000

赫兹的声波

超声波用许多特性：

⑴

超声波在传播时，方向性强，能量易于集中

.

⑵

超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离

.

⑶

超声波与传声媒质的相互作用适中 ，

易于携带有关传声媒质状态的信息

（可用于医学成像等领域）

.

正是由于超声波良好的方向性和能量的集中度，

所有超声波才 被用于测距领

域

.

2

超声波传感器

超声波传感器有 两种形式，

分别对应于超声波的发射和接受。

其工作原理分

为两大类：

用电气方式和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。

目前常用的是压电式

超声波发发 生器

.

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。< /p>

它有两个压电

晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号 ，

其频率等于压电晶片的固有振荡

频率时，压电晶片将会发生共振，并带 动共振板振动，产生超声波

.

超声波传感器接收器为逆压电效应，

但共振板接收到超声波时，

将压迫压电

晶片作振动，将机械能 转换为电信号，就成为超声波接收器

.

3

测距原理

根据公式

s= v

t

可知，只要知道速度

v

和声波在空气中行 走的时间

t

，相

乘即可得到距离

s. < /p>

简化声波在空气中速度

v

与温度的关系，有

v=331.5+0.607 t

．在

O

℃

时

v=331.5

m/s

．常温

20

℃

时

v=343.64

m

／

s

．因温度所引起的速度影响将在软件

里处理

(

具体处理方法见后

)

．

测定超声波被障 碍物反射接收时刻与超声波发出时刻差值

t

，此

t

即为

声波在空气中的传播时间．

在本文中利用

STC89 C52

单片机的

T0

计时器计时，

通

过软件处理得距离

s=

vt

2

.

系统结构框图如图

1

DSI8B20

温 度传感器将实时的测量工作环境温度，并送入单片机中，作为声

速

v

的参数指标。

数码管通过软件计算后，

见距 离显示出来，

达到测距的目的

（具体电路见下

文）

。

二

硬件系统设计

硬件系统是整个测距功能实现的基础。< /p>

如果把一个系统比作人，

那么硬件系

统就是人的“肉体”< /p>

，软件系统是人的“灵魂”

。

如图

2

（见附件

1

）

，

这是我 们使用的超声波测距系统的完整电路图，

图

3

（见

图

1

超声波测距系统的结构款图

附件

2

）

，这是该电路图的

PCB

电路板。

该系统主要包括以下几个模块：

超声 波发射电路，

超声波接受电路，

测温电

路，显示电路，其 他辅助性电路子模块等。

1

发射电路

声波在空气中，频率越高，功率越大，精度越 高，但是在空气中衰减的

就越快；相反，频率越低，功率越小，空气中衰减的就越慢，但 误差大。综

合考虑

75 kHz

、

40 kHz

、

25 kHz

，取

40 kHz

可以较好地解决这个矛盾．试

验表明，超声波接收信号时的形状与接收时强度无关

【1】

。

发射电路的选择有多种方式，以下是几种方案的讨论：

⑴

发射电路

1

发射电路由单片机的

IO

口产生方波脉冲，由电路放大后，驱 动超声波换

能器产生超声波。由单片机

IO

口发出

40KHz

的方波，最终驱动换能器产生超

声波，系统电路图 如图

4

图

4

发射电路

1

优点：电路简单方便，便于连线，便于调试。

缺点：频率不够稳定，功率较小，发射距离近。

⑵

发射电路

2

单片机的

P1.1

口控制器是否工作，晶体管组成反馈式稳频 震荡电路，经

过

Q2

的基极做进一步的放大，经过多次循 环形成电路震荡，超声波发射探头

两端为

40KHZ

的方 波，推动超声探头产生

40KHZ

的超声波。电路如图

5

图

5

发射电路

2

优点：电路相对简单

缺点：三极管放大效果不是很好，频率不是很稳定。

⑶

发射电路

3

本系统中，超声波发射电路的作用是让超声波发生传感器向外界发出

40kHz

的方波脉冲信号，通过给单片机编程，输出该脉冲信号。由于单片机

< br>端口输出功率不够，

P

1

.

1

端口输出的

40khz

方波信号要经过放大，

整形电路。

输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻

R1

和

R2

一

方面可以提 高反向器

74LS04

输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超

声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时问。

电路如图

6

优点：驱动能力较强，电路相对简单

该测距系统中选用发射电路

3.

图

6

超声波测距系统发射电路

超声波测距系统发射电路

图

6

2

接受电路

超声波接收电路的作用是让反射回波能顺利地 被超声波接收传感器接收且

转换成电信号，

并对此信号进行放大、

滤波、

整形后得到一个负脉冲送到单片机

P3.2

引脚

(

即

INT0

，

T0

计数器

)

，以产生一个中断。

本系统中的接受电路如图

7

图

7

超声波测距系统接受电路

本系统中采用

CXA20106A

CX20106

是一款应用广泛的红

外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等

优点 ，

由于红外遥控常用的载波频率

38 kHz

与测距的超声波频率

40 kHz

比较

接近，而且

CX20106

部设置的滤波器中心频率．

f0< /p>

可由其

5

脚外接电阻调节，

阻值越大中心频 率越低，围为

3O

～

60 kHz

。故本次设计用它来做接收电路。

CX2010 6

部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整

形电 路构成。工作过程如下：接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，

将信号调整到 合适幅值的矩形脉冲，

由滤波器进行频率选择，

滤除干扰信号，

再

经整形，

送给输出端

7

脚。

当接收到与

CX20106

滤波器中心频率相符的回波信号

时，

其输出端

7

脚就输出低电平，

而输出端< /p>

7

脚直接接到

STC89C52

的

I NT0

引脚

上，以触发中断。

3

测温电路

测温电路主要是为单片机提供温度参数，根据声速在空气中的传播特性，

（见超声波简介 ）

。为满足课程设计的精度要求，该系统必须配备测量温度的电

路，测温 电路由

DS18B20

专用芯片来测定。

电路如图

8