高精度超聲波測距儀的設計和實現畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 中得： 其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個常數(例如在溫度T=30時,V=349m/s)。當需要測量的距離H遠遠大于L時, : 所以,只要需要測量出超聲波傳播的時間t,就可以得出測量的距離H。 超聲波測量中盲區及近限和遠限用脈沖回波法測量距離時，障礙物與超聲波探頭間的距離既不能太遠也不能太近，存在著距離測量的近限和遠限。距離過遠時，接收到的信號太弱，以致無法從噪聲信號中分辨出來，這是遠限存在的原因。在距離過近時，接收信號將落進盲區中而無法分辨出來，這是近限所以存在的原因。在使用一個探頭同時充當發射和接收的情況下，由于在探頭上施加的發射電壓強達幾十伏甚至上百伏以上，雖然發射信號只維持一個極短的時間，但停止施加發射信號后，探頭上還存在一定的余振，因此在一段較長的時間內，加在接收放大器輸入端的發射信號幅值仍是相當強的，可以達到限幅電路，引起探頭振動，不能進行正確的測量。同時，探頭上接收到的各種反射信號卻遠比發射信號小，即使是離探頭較近處的液面反射信號也達不到限幅電路的限幅電平。當液面離探頭越來越遠時，接收信號與發射信號相隔時間越來越長，其幅值相應的越來越小。同時，接收信號的衰減程度總是要比發射信號余振的衰減慢得多。為了保證一定的信噪比，接收信號需要規定一個值，接收信號必須大于這個值，不能能有輸出信號。這就構成了遠限的問題。而使用雙探頭方式[15]，不僅可以增加探測距離，還可以減小盲區。由于發射探頭上并不直接施加發射電壓，所以，從理論上說，可以沒有盲區。但是，由于接收電路多少會受到發射電路的感應，并且發射探頭所發出的超聲波可能有部分直接繞道接收探頭，因此實際上仍存在一定的盲區，不過它要比單探頭方式的盲區小很多。在本次設計中，選取雙探頭的工作方式，減小盲區，同時提高檢測的距離。 提高測距儀性能的方法要想通過測量超聲波傳播時間確定距離，聲速C必須恒定，實際上聲速隨介質、溫度、壓力等變化而變化。一般情況下，由于大氣壓力變化很小，因此傳播速度主要考慮溫度的影響。對一定介質，通常采用對溫度進行修正的方法[16]，可以測得比較準確的距離。通過對溫度修正來校正聲速的方法，即用測溫元件測量實際環境，根據聲速與溫度的關系計算出測量時實際環境中的聲速。空氣中聲速C與溫度T的關系在常溫下可由下面近似公式表示: (1)壓縮發射脈沖寬度發射端采用減幅振蕩脈沖或單個脈沖，可使余震(拖尾)減少，此法常用于距離測量距離。(2)采用自動距離增益控制采用具有自動增益控制功能的接收放大器，使近距離的增益很小，遠距離時增益較大，這樣一方面發射信號的余震幅度變小，相應的延續時間縮短，可以分出近處的接受回波信號，故可使盲區減少。另一方面，可使遠處的回波信號的幅增大，以提高測量的精度。(3)信噪比問題超聲波測距儀都有確定的量程。量程主要決定于接收信號的幅值應大于規定闡值。這個閉值決定信噪比。噪聲有兩類，一類電噪聲，在處理上同其它電子儀一樣，另一類為機械噪聲，其中工業噪聲頻率較低，對液介式超聲測距儀，工作率較高，可以避開工業噪聲頻譜段。而氣介式超聲回波測距儀，一般頻率都較低，易引入工業噪聲。這時要求對環境噪聲進行頻譜分析，盡量避免與噪聲頻率重疊。 超聲測距系統的主要參數. 傳感器的指向角傳感器的指向角是聲束半功率點的夾角，是影響測距的一個重要技術參數，記為θ，它直接影響測量的分辨率。對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長元λ，傳感器半徑r有關。由 選f=40Khz時，λ=C/f=。當f選定后，指向角θ近似與傳感器半徑成反比。指向角θ愈小，分辨率愈高，則要求傳感器半徑愈大。鑒于目前電子市場的壓電傳感片規格有限，為降低成本，選用國產現有壓電傳感器片最大半徑。r=。 測距儀的工作頻率空氣中超聲波的衰減對頻率很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在40KHz左右，太高頻率的超聲波在空氣中是無法傳播開去的。傳感器的上作頻率是測距系統的主要技術參數，它直接影響超聲波的擴散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。由于本測距儀最大測量量程不大，因而選擇測距儀工作頻率在40KHz[5]。這樣傳感器方向性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比，雖然傳播損失對低頻有所增加，但不會給發射和接收帶來困難。 聲速聲速的精確程度線性的決定了測距系統的測量精度，傳播介質中聲速的傳播速度隨溫度，雜質含量，和介質壓力的變化而變化。聲速隨溫度變化公式為[17]： 式中，T是溫度，將由溫度補償電路修正。 發射脈沖寬度發射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區，也影響測量精度，同時與信號的發射能量有關。減小發射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區，但同時也減小了發射能量，對接收回波不利，但是根據實際的經驗，過寬的脈沖寬度會增加測量盲區，對接收回波及比較電路都造成一定困難。 測量盲區[18]在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發射電脈沖在激勵傳感器的同時也進入接收部分。此時，在短時間內放大器的放大倍數會降低，甚至沒有放大作用，這種現象稱為阻塞。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。根據阻塞區內的缺陷回波高度對缺陷進行定量評價會使結果偏低，有時甚至不能發現障礙物，這是需要注意的。由于發射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發射脈沖一段時間范圍內，所要求發現的缺陷往往不能被發現，這段距離，稱為盲區，具體分析如下: 輸入電壓對超聲信號的影響關系圖如圖所示，當發射超聲波時，發射信號雖然只維持一個極短時間，但停止施加發射信號后，探頭上還存在一定余振(由于機械慣性作用。因此，在一段較長時間內，加在接收放大器輸入端發射信號幅值仍具一定幅值高度，可以達到限幅電路的限幅電平。另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠比發射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達不到限幅電路的限幅電平。當反射面離探頭愈來愈遠，接收和發射信號相隔時間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。在超聲波檢測中，接收信號的衰減總是比發射信號余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號幅值需達到規定的閾值，亦即接收信號的幅值必須大于這一閩值才能使接受放大器有輸入信號。，從b點以后，接收的信號低于閾值，相當于測距的遠限。另外，從圖中A點以后，接收信號才比發射信號大，但還將與發射信號相迭加，難以分辨從c點以后，發射信號低出閩值鱺，接收信號才基本擺脫發射信號干擾，而能明顯的被分辨，所以在要求較高時，把oc這段時間規定為盲區時間。從距離上說，根據盲區時間和聲速，就可以求得盲區距離。因此，cb為可測距范圍。b點就為測距遠限，其外部就為測量不到的區域。第三章 超聲波測距系統硬件部分設計 概述本章以及下一章將詳細介紹本次設計的具體細節。下面兩圖是這次設計的整體硬件結構圖和整體電路圖。 硬件結構圖 整體電路圖整體電路的控制核心為單片機AT89S52。另外還有溫度測量電路測量當時的空氣溫度，等到把數據送到單片機后使用軟件對超聲波的傳播速度進行調整，使測量精度能夠達到要求。整體結構圖包括超聲波發射電路,超聲波接收電路,單片機電路,顯示電路，語音播報電路和溫度補償電路等幾部分模塊組成。單片機控制發射模塊發出40kHZ的超聲波信號并開始記時，通過超聲波發射器輸出超聲波信號；超聲波接收器將接收到的超聲波返回信號送至接收模塊，經處理后，送至中斷信號至單片機，單片機啟動中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算和修正，得出距離數并送LCD顯示。顯示內容包含當前溫度值和所測距離。如下圖所示： 顯示示意圖:其中溫度單位為“攝氏度”，距離單位為“米” 各功能模塊介紹設計[19]AT89S52簡介： AT89S52實物圖AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統可編程 Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術制造，與工業80C51 產品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于 常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提 供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能： 8k字節Flash，256字節RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數據指針，三個16 位 定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口， 片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz 靜態邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 AT89S52引腳分布圖AT89S52芯片共40引腳:1~8腳: 通用I/~9腳:RST復位鍵10 ~11腳:RXD串口輸入 TXD串口輸出12~19:I/O p3接口 (12,13腳 INT0中斷0 INT1中斷114~15 : 計數脈沖T0 T1 16,17: WR寫控制 RD讀控制輸出端)18~19: 晶振諧振器 20 地線21~28 p2 接口 高8位地址總線29: psen 片外rom選通端 單片機對片外rom操作時 29腳(psen)輸出低電平30:ALE/PROG 地址鎖存器31:EA/ROM取指令控制器 高電平片內取 低電平片外取32~39:~40:電源+5V電路設計：單片機正常工作時，都需要一個時鐘電路和一個復位電路來構成單片機的最小系統。時鐘電路用于產生單片機工作時所需的時鐘信號，其有兩種時鐘方式：外部時鐘和內部時鐘。外部始終是使用外部振蕩脈沖信號，常用于多片單片機同時工作，以便于同步。本設計只有一片單片機，采用內部時鐘方式。AT89S52內部有一個可控制的負反饋反向大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器構成一個自激振蕩器。外接晶體以及電容C1和C2構成并聯諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容值雖然沒有嚴格的要求，但是電容的大小多少會影響振蕩器頻率的高低、震蕩器的穩定性、快速性以及溫度穩定性。出于對測距精度的考慮，本設計采用12MHZ的晶體振蕩器[20]，c1和c2的電容值約為30PF。復位是單片機的初始化操作，只要RST引腳出至少保持兩個機器周期的高電平就可以實現復位。在RST端出現高電平后的第二個周期，執行內部復位，以后每個周期重復一次，直至RST端變低。單片機的復位電路有兩種：上電復位和手動復位。本設計采用手動復位方式。當按下復位按鈕時，電容迅速放電，使RST端迅速變為高電平，復位按鈕松開后，電容通過電阻充電，逐漸使RST端恢復低電平。單片機的基本的連接電路如圖所示： 單片機最小系統圖 發射模塊MAX232EPE簡介： MAX232EPE實物與引腳分布圖第一部分是電荷泵電路。由6腳和4只電容構成。功能是產生+12v和12v兩個電源，提供給RS232串口電平的需要。 第二部分是數據轉換通道。由11114腳構成兩個數據通道。 其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數據通道。 8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數據通道。 TTL/CMOS數據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS232數據從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）。電路設計：超聲波發射部分是為了讓超聲波發射換能器TCT40－16T能向外界發出40 kHz左右的方波脈沖信號。40 kHz左右的方波脈沖信號的產生通常有兩種方法：采用硬件如由555振蕩產生或軟件如單片機軟件編程輸出，為了節省成本，本次設計采用了后者。由于單片機端口輸出功率不夠，故需要通過發射模塊來實現推動超聲波發射探頭工作的效果，（）輸出脈沖信號至發射模塊，發射模塊隨即控制超聲波發射器TCT40－16T以將超聲波發射到空氣中。超聲波發射電路如下圖所示： 發射模塊電路圖 接收模塊CX20106簡介： CX20106實物圖CX20106A的引腳注釋：l腳：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。2腳：該腳與GND之間連接RC串聯網絡，它們是負反饋串聯網絡的一個組成部分，改變它們的數值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R或減小C，將使負反饋量增大，放大倍數下降，反之則放大倍數增大。但C的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數為R=，C=。3腳：該腳與GND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作。4腳：接地端。5腳：該腳與電源端VCC接入一個電阻，用以設置帶通濾波器的中心頻率，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200kΩ時，≈42kHz，若取R=220kΩ，則中心頻率≈38kHz。6腳： 該腳與GND之間接入一個積分電容，標準值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22kΩ，沒有接收信號時該端輸出為