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超声波测距系统

2015-10-28 17:03:13 来源: 阅读:

超声波测距原理:
    
超声波在相同的传播媒体里 (大气条件) 传播速度相同, 即在相当大的频率范围内声速不随频率变化, 波动的传播方向与振动方向一致, 是纵向振动的弹性机械波, 它是借助于传播介质的分子运动而传播的, 波动方程描述方法与电磁波是类似的。

式中, A (x ) 为振幅, A 0 为常数, ω为圆频率, t 为时间, x 为传播距离, k= 2π/λ为波数, λ为波长, α为衰减系数。衰减系数α与声波所在介质及频率的关系为
α=af2                      (3)
式中, a 为介质常数, f 为振动频率。在空气里, a =2×10- 13 s2/cm, 当振动的声波频率f = 40kHz (超声波) 代入式(3) 可得 a = 3.2×10-4 cm-1 , 即1/α= 31m;若f = 30 kHz, 则1/α= 56m。它的物理意义是: 声波在空气媒质里传播, 因空气分子运动摩擦等原因, 能量被吸收损耗。在 (1/α) 长度上, 平面声波的振幅衰减为原来的e 分之一, 由此可以看出, 频率越高, 衰减得越厉害, 传播的距离也越短。考虑实际工程测量要求,在设计超声波测距仪时, 选用频率f = 40kHz 的超声波, 波长为34000/40000=0.85cm。
超声波测距应用:
1. 超声波流量计:测量水的流速,这是因为超声波是一种机械波,依靠介质才能传播,其传播方向受介质运动影响,因此,水可以改变传播方向。进而可以做出超声波流量计,可应以自来水、工业用水、农业用水等进行测量。还适用于下水道、农业灌渠、河流等流速的测量。
2. 超声波测距仪:用以测量液位、井深、管道长度、建筑测量、厚度测量等。
3. 报警器:盲人探路器、防盗报警等
4. 定位系统:用以探测超声波发射源位置,在生活中有重要意义,如人说话、呼吸的时候不光产生声波,同样也会产生部分超声波,呼出的气体分子与空气分子碰撞就产生超声波。气管漏气,轮胎漏气,阀门泄漏、阀门气蚀、齿轮运行、电晕放电等都会产生超声波。通过接收器看以看出哪里有漏洞。
超声波发射头研究:
保持vi不随f变化,测量数据如下:(频率单位:khz,输出电压为峰峰值,单位 V)
f 10 20 30 35 38 40 42 45 50 51 52 53 55 60
Vo 9.52 8.16 6.08 5.44 4.32 3.76 4.32 6.48 3.28 1.6 1.92 6.8 8.32 6.32
 
从图中可以得出结论:
Ø 超声波发射的串联谐振频率有两个,一个是40khz,一个是51khz;
其对应的阻抗分别为:1.27kΩ和381Ω
 
                            方案一
超声波发射电路
 
                       图1-1
由单片机产生 40KHz 的方波,并通过单片机的P1.0口接到 CD4069,而后面的 CD4069 则对40KHz 频率信号进行调理,以使超声波传感器产生谐振。 
超声波发射电路信号走向
              图1-2
超声波接收电路
 
                   图1-3
当超声波接收头收到发射信号时,便通过CX20106进行前置放大、限幅放大、带通滤波、峰值检波和比较、积分及施密特触发比较得到解调处理后的信号。7脚为信号输出口,没收到信号时为高电平,收到后变为低电平,之后又恢复高电平。
(a)为接收信号,(b)为有源峰值检波,如图1-4
 
                         图1-4
                     
                         CX20106使用
超声波接收电路使用了集成电路cx20106AI到。cx20106A是日本索尼公司生产的红外遥控系统中作接收预放用的双极型集成电路,可用来代换多种型号的遥控接收集成电路。CX20106A的内电路框图及信号流向如图1-4所示。
CX20106内部结构如下:
 
                        图1-5
集成电路Cx20106A可用来完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检波和
波形整形等功能,各部分参数值如表1-1所示。其中的前置放大器具有自动增益控制功能,可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时,放大器有较高的增益,在近距离输入信号强时放大器不会过载;其带通滤波器中心频率可由芯片脚5的外接电阻调节,不需要外接电感,可避免外磁场对电路的干扰,可靠性较高。CX20106A接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力,可以满足接收电路的要求。同时,使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰,减小电噪声。
CX20106主要引脚说明(表1-1):

脚号 符号 引脚名称 说明
1 IN 信号输入端 该脚输入阻抗约为40士5k9
2 RC RC网络连接端 该脚与地间接有RC串联网络,用来确定前置放大器
的频率特性和增益。电阻增大,电容值小,则增益低:反则高。但电容不宜过大,否则瞬态响应速度会降低。
3 c 检波电容连接端 该脚与地间连接着检波电容。电容量大为平均值检
波,瞬态响应灵敏度低;电容量小,则为峰值检波,
瞬态响应灵敏度高,但检波输出的脉宽变动大,易造
成遥控误动作。
4 GND 接地端  
5 f。 带通滤波器中心频
率设置端
该脚与电源间所接电阻R用来设置带通滤波器的中
心频率f。
6 330p
 
积分电容连接端 该脚所接的积分电容,标准值为330PF。当其容量值
变大,则外部噪波干扰增强,而且输出脉冲的低电平
持续时间增加,遥控距离变短。
7 OUT 信号输出端 该端口为集电极开路输出端。该脚和电源之间连接一
只R3电阻后,输出脉冲低电平的标准值约为0.2V。
8 Vcc  供电电源端 (5士0.3)V
                     表1-1
CX20106参数表(表1-2):
 
                            表1-2
当电阻在200k~220k时,f。=40kHZ左右。
引脚6接330p的电容
3接3.3uf的电解电容
引脚2:用以调节放大倍数,及增益,实际使用情况如下:
测试条件:RC网络连接端中R1=5Ω,Vcc=5V,测量距离为单程,以下为粗略值,仅供参考

C1 104 103 472 332 102
手指发声距离 1.5m 0.75m 0.5m 0.3m 0.2m
测量距离 10m以上 9m 7m 6m 5m
                    表1-3
此电路制作成功,能够测量20cm-3m间的距离,显示最小值为1cm。
遇到的问题----已解决:
超声波T和R不能太近,如3cm,否则CX20106很容易受到干扰使图1-3的发光二极管不停地闪烁,CX20106的增益在74db以上,很高,很容易受到干扰信号的影响,实际相隔6cm时解决了此问题。
等待解决的问题:
CX20106当1脚接的超声波探头T靠近电源时,如果RC网络连接的C比较大时会受到电源的干扰,使LED闪烁。如果超声波软件开始发射时,启动CD4069电源,发射完后关闭CD4069的电源,VDD为CD4069的电源端,其方法是利用单片机的P1.1口来控制CD4069的电源开与关。其电路如图1-6。实验效果表明,在本方案中CX20106会受到干扰,我想可能是电源稳定受到该影响。然而方案二利用LM324来做接收时,原先多次显示出来的数据只有少数是正确测量出来的结果,利用此图1-6的方法确实减少了很大的干扰,但仍然有点干扰,多次显示出来的数据只有少数是不正确的结果 。
 
 
图1-6
方案二
发射电路如下图1-7

 
图1-7
单片机P1.0为超声波脉冲发射端,P1.1为超声波发射驱动电路CD4069电源控制端,当要发射超声波时启动CD4069的电源,发射后关闭其电源,以减小超声波T带来的干扰,因为电源可能不是十分稳定,含有很小的高频的交流成分,尽管很小,但传到超声波发射端T时,会发射出去,引起接收的干扰。本发射电路在一定程度上减小了T对R的干扰。要进一步减小其干扰,就是让VDD=VCC,同时要求电源绝对的稳定,不受Q1开关的影响,否则接收电路LM324电压比较的参考电压将会受到影响。
超声波接收电路如图1-8


图1-8

此接收电路接收到的超声波信号经过三级20*20*10=2000倍左右的放大。可以测量高达3m远的距离,然后给LM358做电压比较得到TTL方波信号给单片机接收。此电路优点:为一个40khz的带通滤波器,就是Q值过低,此电路有以下缺点:第一:LM324其对40khz的信号放大时,放大倍数受到频率高的限制,即增益带宽积fH*Au,使放大倍数最高位20,这是经过示波器多次数据测量和观察的结果。第二:电源不能很稳定,没有做稳压块,会使LM358电压比较器的参考电压受到波动,只要有一点波动会使反向放大器波形受到破坏,这个电压稳定相当重要。第三:带通滤波效果差,Q值低,因而外界干扰信号或噪声干扰也得到比较大的放大。
此电路制作只是半个成功,即可以测量距离,但有时显示不正确。
超声波测距注意问题及改善方法
a.温度影响测量精度:稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件.。而超声波在空气中
传播时,其速度受到了温度、湿度、粉尘、大气压、气流等因素的影响。其中温
度影响最大,超声波在空气中的速度与温度的关系表达式为:
            
由泰勒公式展开可近似为c=331.5+0.607t式中,t是环境摄氏温度(℃)。所以,温度每变化1℃,
波的速度变化为0.6m/s。可见温度对声速影响很大,测量时必须进行温度补偿。
b.超声波在空气中传播经过多条相隔很近的路径多次来回影响,解决方法有两个:第一是超声波发射间隔时间增长;第二就是超声波发射模块做小,同时探头T与R平行于电路板,减小其来回反射路径。
c.提高超声波发射功率,可以增加测量距离,可以采用变压器实现升压。
d.超声波发射头和接收头由于靠的很近,容易受到发射的干扰,应该尽量避免余波的干扰。 从图1-9中可以看到,当发射超声波脉冲时,几乎在同一时刻收到了。解决方法:一个是增加T/R之间的安装距离,第二就是软件解决,在发射完后,延长一段时间再开启检测超声波发射的信号。这就是超声波存在最小测量距离的主要原因。                  
               
 图1-9
e.避免手接触超声波电路板,容易产生干扰。
f.提高电源的稳定性
g.测量距离时,应尽量保证,传感器轴线与被测物表面垂直;
h.实际测距范围与被测物表面材料有关,一般不要测量表面为毛料的物体表面;
①超声波对色彩、
关照度不敏感,可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体);
②对外界光线和电磁场不敏感,可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中;③超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠,易于小型化和集成化
优点:
物美价廉,一对超声波探头,如型号T/40-16只要4.5元;
体积小,易于集成化
参考文献:
1.《新编单片机原理与应用》 第二版  潘永雄编著  西安电子科技大学出版社
2.《模拟电子技术基础》 第四版 华成英 童诗白主编  高等教育出版社
3.TCT40-16T3/16R3超声波传感器使用说明书
4.《电子制作实例集锦》 傅劲松编著 福建科学技术出版社
5.超声波测距仪的研究 王采堂等    计算机测量与控制. 2002. 10 ( 7)
6.超声波测距模组V2.0使用说明书 V2.0 – 2006.04.13凌阳科技大学计划教育推广中心
7.超声波测距回波信号处理方法的研究 张坷  俞国华  刘钢海《测控技术》 2008 8 年第2 7 卷第1 期
8. 基于单片机控制的超声测距系统的研究  张丹  硕士学位论文

关键词:超声波,测距,系统,超声波,测距,原理,在,相同,

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