基于超聲波傳感器的測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 看到，集成芯片 CX20216 在接收部分電路中起了很大的作用。 CX20216 是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率 38 kHz 與測距的超聲波頻率 40 kHz 比較接近，而且 CX20216內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率 f0 可由其 5 腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為3060kHz。故本次設(shè)計(jì)用它來做接收電路。 CX20216 內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。工作 過程如下：接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器．將信號調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號，再經(jīng)整形，送給輸出端 7 腳。當(dāng)接收到與 CX20216 濾波器中心頻率相符的回波信號時(shí)，其輸出端 7 腳就輸出低電平，而輸出端 7 腳直接接到 AT89S52 的 INTO 引腳上，以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差，可調(diào)節(jié)芯片引腳 5 的外接電阻 R42，將濾波器的中心頻率設(shè)置在 40 kHz，就可達(dá)到理想的效果。 9 圖 23 超聲波接收原理圖 顯示電路 本系統(tǒng)采用共陰七段數(shù)碼管顯示所測距離值。數(shù)碼 管采用動(dòng)態(tài)掃描顯汞，段碼輸出端口為單片機(jī)的 PO 口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的 、 、 、 口，數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用 NPN 三極管 S9012 驅(qū)動(dòng)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的接口夠用所以不必考慮接口問題。如下圖所示。 10 溫度測量電路 由于聲音的速度在不同的溫度下有所不同，為提高系統(tǒng)的精度，采用了溫度補(bǔ)償功能。這里采用的主要元器件是是美國 Dallas 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18820，其具有精度高、智能化、體積小、線路簡單等特點(diǎn)。將 DS18820 數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的 口相連，就可以實(shí)現(xiàn) 溫度測量 報(bào)警電路 采用一個(gè)蜂鳴器，由 輸出一定頻率的信號，在連接到蜂鳴器之前，經(jīng)過一個(gè)三極管 9012 的放大。報(bào)警部分的連線如圖所示 11 三．超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 該超聲波測距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射與接收電路、單片機(jī)硬件接口電路、顯示報(bào)警電路組成，下面主要通過各個(gè)模塊的各種方案比較，確定設(shè)計(jì)的最終方案。該系統(tǒng)的核心部分采用性能較好的 AT89S51 單片機(jī) 軟件設(shè)計(jì)原理 在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲波測距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是針對系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的 處理和應(yīng)用。根據(jù)第二節(jié)所述系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和所完成的功能，系統(tǒng) 軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能： 一、信號控制 在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、接收電路、檢測電路、顯示電路、門限檢測的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件中，要完成增益控制信號、門控信號、發(fā)射脈沖信號、峰值采集信號、 遠(yuǎn)近控制信號的時(shí)序及輸出。 二、數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 為了得到發(fā)射信號與接收回波間的時(shí)間差，要讀出此刻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后存儲(chǔ)在RAM 中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對計(jì)數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。 三、信號處理 RAM 中存儲(chǔ)的計(jì)數(shù)值并不能作為距離值直接顯示輸出，因?yàn)橛?jì) 數(shù)值與實(shí)際的距離值之間轉(zhuǎn)換公式為： S={V 燈 =$v 術(shù) (Tr}N)其中， T 為發(fā)射信號到接收之間經(jīng)歷的時(shí)間， Tr 為方波信號怍為計(jì)數(shù)脈沖時(shí)計(jì)數(shù)器的時(shí)間分辨率， N 為計(jì)數(shù)器的值。在這個(gè)部分中，信號處理包括計(jì)數(shù)值與距離值換算，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。 四、數(shù)據(jù)傳輸與顯示 經(jīng)軟件處理得到的距離送顯示輸出，用四位 LED 表示。由于采用了單片機(jī) AT89S51 并考慮整個(gè)系統(tǒng)的控制流程，整個(gè)系統(tǒng)軟件都有 AT89S51 系列單片機(jī)匯編語言實(shí)現(xiàn)。由于 12 距離值的得出及顯示是在中斷子程序中完成的，因此在初始化發(fā) 射程序后進(jìn)入中斷響應(yīng)的等待。在中斷響應(yīng)之后，原始數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)數(shù)值與距離值換算子程序，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序后顯示輸出。整個(gè)系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、中斷服務(wù)程序幾個(gè)主要部分。、 主程序流程框圖 主程序首先是對系統(tǒng)壞境初始化，設(shè)置定時(shí)器 TO 工作模式為 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式， 置位總中斷允許位 EA 并給顯示端 PO 和 P2 清 O。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)。需要延時(shí) 0. 1ms （這也就是超聲波測距器會(huì)有一個(gè)最小可測距離的原因）后，才 打開外中斷 0 接收返回的 超聲波信號。由于采用的是 l2MHZ 的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是 lum，當(dāng)主程序檢測到 接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 TO中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按式 ()計(jì)算，即可得被測物體與測距器之間的距離，設(shè)計(jì)使取 20℃時(shí)的聲速為 344m/s 則有 d=(c*t)/2=172T0/1000 cm () 其中 T0 為計(jì)數(shù)器 TO 的計(jì)數(shù)值。 測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送往 LED 顯示約 ，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。 13 定時(shí) 器／計(jì)數(shù)器方式控制寄存器 TMOD 定時(shí)器／計(jì)數(shù)器 TO、 Tl 都有 4 種工作方式，可通過 TMOD 編程設(shè)置來選擇。 TMOD 的低 4 位用于定時(shí)器／計(jì)數(shù)器 0， TMOD 的高 4 位用于定時(shí)器／計(jì)數(shù)器 1 表 定時(shí)器／計(jì)數(shù)器方式控制寄存器 TMOD 中斷允許控制 各中斷源的中斷開放或關(guān)閉是有內(nèi)部中斷允許寄存器 IE 的各位來控制的。 IE 的位定義格式如下： 表 3. 2IE 的位定義格式 EA：中斷允許總控位。 EA=O，屏蔽所有的中斷請求； EA=I，開放中斷。 EA 的作用是使中斷允許形成兩極控制，即各中斷源的中斷允許與否，首先受 EA 位的控制，其次還要受中斷源自己的中斷允許位控制。 ETO (ETl)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器 T0 (T1)的溢出中斷允許位。 ETO=0，禁止 T0 中斷：ETO=1，允許 TO 中斷 子程序流程圖 14 測量溫度子程序 測溫電路由美國 DALLAS 公司的 DS18820 芯片完成，其初始化過程如下： DS18820 的初始化 (1)先將數(shù)據(jù)線置高電平“ 1”。 (2)延 時(shí)（該時(shí)間要求的不是很嚴(yán)格，但是盡可能的短一點(diǎn)） (3)數(shù)據(jù)線拉到低電平“ 0”。 (4)延時(shí) 750 微秒（該時(shí)間的時(shí)間范圍可以從 480 到 960 微秒）。 (5)數(shù)據(jù)線拉到高電平“ 1”。 (6)延時(shí)等待（如果初始化成功則在 15 到 60 毫秒時(shí)間之內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)由 DS18820 所返回的低電平“ 0”。據(jù)該狀態(tài)可以來確定它的存在，但是應(yīng)注意不能無限的進(jìn)行等待，不然會(huì)使程序進(jìn)入死循環(huán)，所以要進(jìn)行超時(shí)控制）。 (7)若 CPU 讀到了數(shù)據(jù)線上的低電平“ 0”后，還要做延時(shí)，其延時(shí)的時(shí)間從發(fā)出的高電平算起 (第 (5)步的時(shí)間算起） 最少要 480 微秒。 (8)將數(shù)據(jù)線再次拉高到高電平“ 1”后結(jié)束。 DS18820 的寫操作 (1)數(shù)據(jù)線先置低電平“ 0”。 (2)延時(shí)確定的時(shí)間為 15 微秒。 (3)按從低位到高位的順序發(fā)送字節(jié)（一次只發(fā)送一位）。 (4)延時(shí)時(shí)間為 45 微秒。 15 (5)將數(shù)據(jù)線拉到高電平。 (6)重復(fù)上 (1)到 (6)的操作直到所有的字節(jié)全部發(fā)送完為止。 DS18820 的讀操作 (1)將數(shù)據(jù)線拉高“ l”。 (2)延時(shí) 2 微秒。 (3)將數(shù)據(jù)線拉低“ 0”。 (4)延時(shí) 15 微秒。 (5)將數(shù)據(jù)線拉高“ l”。 根據(jù)讀寫操作，其流程圖如 34 系統(tǒng)誤差分析及改進(jìn) 超聲波測距由于其在使用中不受光照度、電磁場、色彩等因素的影響，加之結(jié)構(gòu)簡單成本低，在機(jī)器人避障和定位、汽車倒車、水庫液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。從原理上講，超聲測距有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測距常用，其原理 16 是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖， 測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間 ts，在已知超聲波 聲速 Cs 的前提下，可計(jì)算被測物的距離 D，即： D=CT/2。由于溫度影Ⅱ向超聲波在空氣中的傳播速度：超聲波反射回波很難 精確捕捉，致使超聲波在空氣中傳播的時(shí)間很難精確測量。這些因素使超聲波測距的精度 和范圍受到影響。 本文從引起超聲測距誤差的原因入手，分析了溫度對超聲波聲速的影響，回波檢測對時(shí)間測量的影響和超聲波傳感器所加電壓對測量精度和范圍的影Ⅱ向。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出以 AT89S51 單片機(jī)為核心，采用 40KHz 壓電超聲波傳感器，應(yīng)用于單片機(jī)測距系統(tǒng)中。 誤差產(chǎn)生原因分析 空氣中傳播的超聲波是由 機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此．超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影Ⅱ向 即： 其中 B 為氣體的彈性模量， r 為氣體的密度。氣體彈性模量，由理想氣體壓縮特性可得： B=g． r，其中 g 為定壓熱容與定容熱容的比值，空氣為 ， P 為氣體的壓強(qiáng)。氣 體的壓強(qiáng)為： 其中，R 為普適常量 8. 314kg/mol， T 為氣體溫度 K（絕對溫度）， M 為氣體分子量，空氣為 103 kg/mol。所以 由公式 34 可知，超聲聲速與空氣的溫度有密切關(guān)系。例如： 20℃時(shí)， T=293. 15， CS= m/s。 40℃時(shí)， T=313. 15, CS= m/s。 20℃時(shí)， T253. 15, CS= m/s。 從上面的計(jì)算可以看出，溫度對超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響。當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時(shí)，必須考慮溫度的影響。 針對誤差產(chǎn)生原因的系統(tǒng)改進(jìn)方案 在實(shí)際應(yīng)用中，為了方便處理，超聲波常調(diào)制成具 有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號。測距系統(tǒng)一般由超聲波發(fā)送、接收、時(shí)間計(jì)測、微機(jī)控制和溫度測量五個(gè)部分組成。如何提高測量精度是超聲測距的關(guān)鍵技術(shù)。其提高測距精度的措施下： (1)合理選擇超聲波工作頻率、脈寬及脈沖發(fā)射周期 據(jù)經(jīng)驗(yàn)，超聲測距的工作頻率選擇 f=40kHz 較為合適：發(fā)射脈寬一般應(yīng)大于填充波周期的 10 倍以上即： T0. 25s，考慮換能器通頻帶及抑制噪聲的能力，選擇發(fā)射脈寬 Ims。 脈沖發(fā)射周期的選擇主要考慮微機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度，速度趕快，脈沖發(fā)射周期可選短些。 (2)在超聲波接收回路中 串入增益調(diào)節(jié) (AGC)及自動(dòng)增益負(fù)反饋控制環(huán)節(jié) 因超聲接收波的幅值隨傳播距離的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，所以采用 (AGC)電路使放大倍數(shù)隨測距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加的電路，使接收器波形的幅值不隨測量距離的變化 17 而大幅度的變化，采用電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)能使接收波形更加穩(wěn)定。 (3)提高計(jì)時(shí)精度，減少時(shí)間量化誤差 如采用芯片計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率越高，則時(shí)間量化誤差造成的測距誤差就越小。例如：單片機(jī)內(nèi)置計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率只有晶振頻率的十二分之一，當(dāng)晶扳頻率為 6MHz時(shí)，計(jì)數(shù)頻率為 0. 5MHz 此時(shí)在 空氣中的測距時(shí)間量化誤差為 。當(dāng)晶振頻率為 12MHz時(shí)，計(jì)數(shù)頻率為 lMHz，此時(shí)測距時(shí)間量化誤差為 。若采用外部硬