基于單片機的超聲波測距系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 度變化，可通過溫度傳感器自動探測環境溫度確定計算距離時的波速 v，較精確地得出該環境下超聲波經過的路程，提高了測量精確度。波速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。 單片機發出短暫的 40kHz 信號，經放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經超聲波換能器作為系統的輸入，鎖相環對此信號鎖定， 產生鎖定信號啟動單片機中斷程序，得出時間，再由系統軟件對其進行計算、判別后，相應的計算結果被送至 LCD 顯示電路進行顯示。 同時判斷如果測得的距離小于 1m 時，通知報警器報警，并把測距記錄存入 E2PROM 存儲，供隨時查看測距記錄 常見 測距法 目前最常用 測距法有兩種 : （ 1） 超聲波測距法 :超聲波是頻率 20kHz 以上的機械振動波，利用發射脈沖和接收脈沖的時間間隔推算出距離。超聲波測距法的缺點是波束較寬，其分辨力受到嚴重的限制，因此，主要用于導航和回避障礙物。 （ 2）激光測距法 [18]:激光測距法也可以利 用回波法，或者利用激光測距儀，其 第 7 頁 共 42 頁 工作原理如下 :氦氖激光器固定在基線上，在基線的一端由反射鏡將激光點射向被測物體，反射鏡固定在電動機軸上，電動機連續旋轉，使激光點穩定地對被測目標掃描。由 CCD(電荷耦合器件 )攝像機接受反射光，采用圖像處理的方法檢測出激光點圖像，并根據位置坐標及攝像機光學特點計算出激光反射角。利用三角測距原理即可算出反射點的位置。 我們選用超聲波測距法，這樣會使成本降低。 超聲波傳感器 超聲波傳感器的原理及結構 超聲傳感器是一種將其他形式的能轉變為所需頻率的超聲能或 是把超聲能轉變為同頻率的其他形式的能的器件 [19]。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。電聲型主要有： 1. 壓電傳感器； 2. 磁致伸縮傳感器； 3. 靜電傳感器。流體動力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應用目的不同，超聲傳感器的結構形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業中采用的流體動力型傳感器稱為“哨”或“笛”。 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現電能和聲能 相互轉換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英、鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇等。其具有下列的特性：把這種材料置于電場之中，它就產生一定的應變；相反，對這種材料施以外力，則由于產生了應變就會在其內部產生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產生交變的應變，從而產生超聲振動。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當壓電晶片受發射電脈沖激勵后產生振動，即可發射聲脈沖，是逆壓電效應。當超聲波作用 于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉換成相應的電信號，是正壓電效應。前者用于超聲波的發射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價格低廉，且非常適用于氣體和液體介質中。在壓電陶瓷上加有 第 8 頁 共 42 頁 大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據壓電效應，就會使壓電陶瓷晶片產生機械變形，這種機械變形的大小和方向在一定范圍內是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 f 的交流電壓，它就會產生同頻率的機械振動，這種機械振動推動空氣等媒介，便會發出超聲波。 如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產生頻率與超聲機械波相同的電信號。 雙壓電晶片由 A、 B 兩部分構成。當在 AB 間施加交流電壓時，若 A 片的電場方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動。 壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率 f。發射超聲波時，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常 方便的改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。 超聲波傳感器的內部結構由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網構成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網也是起保護作用的，但不影響發射與接收超聲波。 系統主要參數的確定 測距儀的工作頻率 傳感器的工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。工作頻率的確定主要基于以下幾點考慮： （ 1）如果測距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對增加，由于介質對聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。 （ 2） 工作頻率越高，對相同尺寸的換 能器來說，傳感器的方向性越尖銳，測量障礙物復雜表面越準，而且波長短，尺寸分辨率高，“細節”容易辨識清楚，因此從測量復雜障礙物表面和測量精度來看，工作頻率要求提高。 第 9 頁 共 42 頁 （ 3）從傳感器設計角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。 綜上所述， 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。這樣傳感器方向性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對低頻有所增加，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。傳播介質中聲波的傳播速度隨溫度、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 V=＋ (mm/ms)式中 [20]， T 是溫度。由于該測距系統用于室內測量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫下，聲音在空氣中的傳播速度可依據上式計算出為 340 m/s。 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。根據資料，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。 在具體設計中，比較了 24μ s (1 個 40KHz 脈沖方波 )， 48μ s( 2 個 40KHz 脈沖方波 )， 240μ s (10 個 40KHz 脈沖方波 )，作為發射信號后的接收信號，最終選用 48μ s (2 個 40KHz 脈沖方波 )的發射脈沖寬度。此時，從接收回波信號幅度和測量盲區兩個方面來衡量比較適中。 測量盲區 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： 第 10 頁 共 42 頁 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的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VM ；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 VM ，亦即接收信號的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號。 系統設計方案： 系統設計要求： （ 1）能夠連續測量，保存測量數據，并用液晶屏 1602 顯示距離值； （ 2） 測量范圍在 —5m； （ 3） 能根據距離長短發出不同頻率的聲音 ，具有 語音播報功能。 根據系統設計要求，確定系統設計方案如下： 單 片 機外 部 中 斷超 聲 波 模 塊定 時 器時 鐘 模 塊E 2 P R O M蜂 鳴 器顯 示 模 塊發 射 信 號接 收 信 號 圖 超聲波測距儀原理框圖 系統設置有兩個工 作模式，通過一個外部中斷開關選擇工作模式 模式 0：正常的測距工作模式 模式 1：遍歷顯示 E2PROM 中存儲的測距記錄信息 第 11 頁 共 42 頁 3 超聲波測距儀的硬件設計 硬件模塊選型 處理器 選型 （ STC89C52） 在這里，我才用的深圳宏晶科技生產的 STC89C52RC 單片機 [21]。 STC89C52 單片機簡介 : STC89C52 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。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統可編程 Flash，使得 STC89C52 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。 具有以下標準功能： 8k 字節 Flash， 512 字節 RAM， 32 位 I/O 口線， 看門狗定時器 ，內置 4KB EEPROM， MAX810 復位電路，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。另外 STC89X52 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。最高運作頻率 35Mhz，6T/12T 可選。 由于本系統是一個小的嵌入式系統，對處理器性能方面要 求不是很高；因此就得考慮系統的節能、設計簡單、性能穩定等方面因素來選擇適合的 SCM。在做嵌入式控制方面的處理器主要是單片機和 ARM 系列處理器，但對比兩個系列， ARM處理器雖然指令更多， 資源更豐富，功能更強； 但是更耗能， 操作更復雜，設計難度更大，在此系統中單片機就能滿足性能要求，且節能，設計簡單 ；故選擇單片機。 第 12 頁 共 42 頁 在諸多的單片機中，我們由選擇哪款呢？這還的根據節能、設計簡單、性能滿足要求、可擴展性強等原則進行選型。 在諸多單片機中， 51 單片機資源比較少，因此我們選擇資源更豐富的 52 單片機； STC89C52 和 atmel89c52 對比 ： STC89C52RC 單片機 : 8K 字節程序存儲空間； 512 字節數據存儲空間；內帶 4K 字節 EEPROM 存儲空間 。可直接使用串口下載 。 AT89S52 單片機 : 8K 字節程序存儲空間； 256 字節數據存儲空間； 沒有內帶 EEPROM 存儲空間 。不能直接使用串口下載。 可見 STC89C52 資源更豐富，可寬展性更強， 成本更低；故選擇 STC89C52。 超聲波模塊 選型 （ HCSR04） 現在市場上各種各樣的超聲波模塊很多，有專門的發射、接收模塊，有既能發射又能接收的，本設計是測距系統，應 采用反射波的模塊，由于市場上已經很便宜了，故沒有自己搭超聲模塊的必要。根據設計要求，在市場上采購能符合要求的模塊就行。 這里采用的 HCSR04, 本模塊 價格便宜， 性能穩定，測度距離精確。能和國外的 SRF05,SRF02 等超聲波測距模塊相媲美。模塊高精度，盲區（ 2cm）近 ,能穩定的測距 [22]。 產品特點： HCSR04 超聲波測距模塊可提供 2cm400cm 的非接觸式距離感測功能， 測距精度可達高到 3mm；模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。 模塊工作原理： （ 1） 采用 IO 觸發測距，給至少 10us 的高電平信號 。 （ 2） 模塊自動發送 8 個 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回； （ 3） 有信號返回，通過 IO 輸出一高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間； 測試距離 =(高電平時間 *聲速 (340M/S))/2。 （ 1） 實物圖 ： 第 13 頁 共 42 頁 圖 HCSR04實物圖 上圖接線： VCC 供 5v 電源， GND 為地線 ， TRIG 觸發控制 信號輸入， ECHO 回響信號輸出線。 電氣參數 ： 表 HRSR04電氣參數表 電 氣 參 數 HCSR04 超 聲 波 模塊 工作電壓 DC 5 V 工作電流 15mA 工作頻率 40Hz 最遠射程 4m 最近射程 2cm 測量角度 15 度 輸入觸發信號 10