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中文摘要 基于单片机的超声测距系统 中文摘要 本文详细介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声测距系统。该系统是以空 气中超声波的传播速度为确定条件，利用发射超声波与反射回波时间差来测量待 测距离。本系统安装使用方便，价格便宜，并可与遥测遥控系统配合使用，有较 广阔的应用前景。 超声测距系统的设计原理以达到更优的系统性能为目的。为适合不同的测距 范围，单片机设置了远近两种发射模式，即近距离测量时使用8 个脉冲串，远距 离测量时使用3 2 个脉冲串来增强回波信号，根据回波信号特点得到了最佳接收 机的组成。 论文概述了超声波检测的发展及基本原理，介绍超声传感器的工作机理及特 性，对于影响测距系统的一些主要参数进行了讨论。并且在介绍超声测距系统功 能的基础上，提出了系统的总体构成。针对测距系统发射、接收、检测、显示部 分的总体设计方案进行了论证。进一步介绍了a t 8 9 s s l 单片机在系统中的应用， 分析了系统各部分的硬件及软件实现。最后给出了室内实验结果及误差分析。 最后利用测距系统进行验证。实验表明，各主要波形及技术指标均达到设计 要求。该系统对室内有限范围的距离测量具有较高的精度和可靠性，最后文中分 析了误差产生的原因及如何对系统进行完善提出了一些改进建议。 关键词：超声波，超声传感器，超声测距，单片机，温度补偿 插图清单 插图清单 图2 1 波的反射与折射原理图( 5 ) 图2 2 双压电晶片示意图( 7 ) 图2 3 双压电晶片的等效电路图( 7 ) 图2 - 4 超声传感器结构图( 8 ) 图2 5 超声测距原理图( 1 0 ) 图2 - 6 传感器回波测距原理分析图( 1 4 ) 图3 1 系统设计方案图( 1 5 ) 图3 - 2 实验实物图( 1 6 ) 图3 3 发射电路图( 1 7 ) 图3 4 放大器工作状态类型图( 1 9 ) 图3 5 基本互补对称电路图( 2 0 ) 图3 - 6 乙类推挽功放组合特性曲线图( 2 1 ) 图3 7 乃与 关系曲线图( 2 2 ) 图3 - 8 前置放大电路图( 2 5 ) 图3 - 9 带通滤波电路( 2 7 ) 图3 1 0 带通滤波电路原理图( 2 8 ) 图3 1 1 带通滤波电路理想幅度响应图( 2 8 ) 图3 1 2 带通滤波电路的幅频响应图( 2 9 ) 图3 1 3 同相输入门限电压比较器电路图( 3 1 ) 图3 1 4 检测部分电路图( 3 2 ) 图3 1 5 数码管外形图( 3 3 ) 图3 1 6 数码管内部结构图( 3 3 ) 图3 1 7 显示部分电路图( 3 4 ) 图3 1 87 4 h c 5 7 4 引脚图( 3 5 ) 图3 1 9u l n 2 0 0 3 引脚图( 3 5 ) 图4 1a t 8 9 s 5 1 单片机结构框图( 3 7 ) 图4 _ 2a t 8 9 s 5 1 引脚图( 3 8 ) i 插图清单 图4 _ 3 主程序流程图p b ooo ( 4 2 ) 图4 4 外部中断子程序流程图( 4 2 ) 图4 啊5 定时中断子程序流程图( 4 2 ) 图5 - 1 超声波发射接收图( 4 4 ) 图5 2 经过放大滤波后发射接收图( 4 5 ) 图5 3 经过比较器前后比较图0 00 00 ( 4 5 ) 图5 4 1 0c 】m 处经过放大后收发图( 4 6 ) 图5 51 0 c m 处经过放大比较后收发图( 4 6 ) 图5 - 62 0 c m 处经过放大后收发图( 4 7 ) 图5 72 0 c m 处经过放大比较后收发图( 4 7 ) 图5 85 0 c m 处经过放大后收发图( 4 7 ) 图5 - 95 0 c m 处经过放大比较后收发图( 4 8 ) 图5 1 0l o o c m 处经过放大后收发图( 4 8 ) 图5 1 1l o o c m 处经过放大比较后收发图( 4 8 ) 图5 1 21 5 0 c m 处经过放大后收发图o o oooo doooo ( 4 9 ) 图5 1 31 5 0 c m 处经过放大比较后收发图( 4 9 ) 图5 1 42 0 0 c m 处经过放大后收发图( 4 9 ) 图5 1 52 0 0 c m 处经过放大比较后收发图( 5 0 ) 图5 1 62 5 0 c m 处经过放大后收发图( 5 0 ) 图5 1 72 5 0 c m 处经过放大比较后收发图( 5 0 ) 图5 1 83 0 0 c m 处经过放大后收发图( 5 1 ) 图5 1 93 0 0 c - m 处经过放大比较后收发图( 5 1 ) 表格清单 表格清单 表2 1 传感器特性参数表( 1 0 ) 表3 一l7 4 h c 5 7 4 功能表( 3 5 ) 表4 - 1a t 8 9 s 5 1 引脚定义( 3 8 ) 表4 2t m o d 格式表( 3 9 ) 表4 _ 3t c o n 格式表( 4 0 ) 表5 1 通过示波器得出的测距实验结果( 5 1 ) 表5 - 2 通过l e d 显示测距实验结果( 5 2 ) 表5 3 温度与声速关系( 5 2 ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得旁缴犬荽或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：择支评 签字日期：1 年驴玎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解孛呖妞大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权安铋尺静以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 糊黼鲐私铃 钟鲐僻审 签字日期：如叼年年月剪曰 签字日期：琊7 年厂月r 日 学位论文作者毕业去向：钍业 工作单位：点、审延斗争洙 通讯地址： 电话： 邮编： 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展，测距与识别问题在 工业中变得十分重要。例如，传统的接触式测量仪器( 如钢卷尺) 在测量巷道项底 板距离及巷道的变形量时，这种仪器对高于3 m 的顶板安设困难，且测量不准确； 对于巷道横向变形量的测量，若安设于巷道两侧之间，则妨碍人、车来往，若不 固定安设装，则测量精度低，难以监测微小变形。又如在自动化装配、检测、分 类、加工与运输等过程中，要对随意放置的工件进行作业，这就必须对工件的位 置、形状、姿势、种类自动地进行判别，尤其在在工件运输过程中进行识别，则 问题更为复杂与困难，因此人们急切需要非接触式测距仪。 目前，非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达。但激光和雷达测距仪造 价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声 波方法具有明显突出的优点： 1 超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强，能量消耗缓 慢，因此可以直接测量较近目标的距离； 2 超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差 的物体( 如玻璃、抛光体) ； 3 超声波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； 4 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 型化与集成化，并且可以进行实时控制【l 】o 因此，超声波方法作为非接触检测和识别的手段，已越来越引起人们的重视。 在机器人避障、导航系统、机械加工自动化装配及检测、自动测距、无损检测、 超声定位、汽车倒车、工业测井、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用【2 】。 基于单片机的超声测距系统 1 2 超声测距发展概况【3 】 超声检测主要是利用超声波作为载体，即通过超声在媒质中的传播、散射、 吸收、波形转换等，提取反映媒质本身特性或内部结构的信息，达到检测媒质性 质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的。我国无损检测技术是从无到 有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产， 也大致按此规律发展变化。 五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如 英国的u c t - 2 超声波检测仪，重达2 4 k g ，各单位积极开展试验研究工作，在 一些工程检测中取得了较好的效果。 五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生 产。随后，上海同济大学研制出c t s 1 0 型非金属超声检测仪，也是电子管式， 仪器重约2 0 k g ，该仪器性能稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单 位使用，建工部门使用不多。直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶 段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的u c t - 2 ，c t s 一1 0 型 仪器。 1 9 7 6 年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家 建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国6 个单位协作攻关。 从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。随着电子工业的飞速 发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。 如罗马尼亚n 2 7 0 1 型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数 码显示，仪器重量1 0 k g 。七十年代，英国c n s 公司推出仅有3 5 k g 重的 p u n d i t 便携式超声仪。 1 9 7 8 年l o 月，中国建筑科学院研制出j c - 2 型便携式超声波检测仪。该 仪器采用t t l 线路，数码显示，仪器重量为5 k g 。同期研制出的超声检测仪器 还有s c - 2 型，c t s 2 5 型，s y c 2 型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产 的超声波仪器，为推广应用无损检测技术奠定了良好的基础。 随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数 码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪 能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据 2 第一章绪论 处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派 繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的2 0 0 0 a 型超声分析检测仪，是一种内 带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有 测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。 其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串 口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产 品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国 际先进水平。 目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机 可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设 置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。高智能化检测仪器只能 满足检测条件，使用环境，重复性测试内容等基本情况一样，才可充分发挥其特 有功能。仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。综上所述，我国 超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平。 1 3 本课题研究内容及科学意义 本文在理论方面对引起超声测距误差的原因进行了深入分析，同时对超声测 距实际方案也做了深入调研，在此基础上，开发出以a t m c l 8 9 s 5 1 单片机为核心， 采用4 0 k h z 压电超声传感器的超声测距仪。具有电路简单，集成度高，体积小， 功耗低；测量精度及灵敏度高，测量距离广( 4 e m 到4 m ) ；并且价格低廉，开发 周期短，调试方便等优点，适合非接触测距的广泛应用。 第二章超声测距技术综述 第二章超声测距技术综述 2 1 超声及超声传感器简介 2 1 1 超声概述 一、超声波及其波形 我们生活的世界充满了各种可听的声信号。在科学史上，人们很久以前对声 音信号就有了认识，声学是最早发展的学科之一。我国两千多年前的先秦时期， 在乐律和乐器的研究方面，对声学的发展作出了重要的贡献。在国外，1 9 世纪， 声学已成为具有现代意义的科学并发展到相当高的水平。然而由于超声是入耳听 不到的信号，直到1 8 世纪，人们在研究蝙蝠、海豚等动物时，才推测自然界中 存在超声。 人们可听到的声音频率为2 0 h z 2 0 k h z ，即为可听声波，超出次频率范围 的声音，即2 0 h z 以下的声音称为低频声波，频率高于人类听觉上限频率( 约 2 0 k h z ) 的声波，称为超声波，或称超声吲。声波的速度越高，越与光学的某些特 性如发射定律、折射定律相似。 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波形也不 同。一般有以下几种： 1 纵波 质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波。它能在固体、液体和气体中 传播。 2 横波 质点的振动方向与传播方向相垂直的波，称为横波。它只能在固体中传播。 3 表面波 质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅 速地衰减，称为表面波。表面波只在固体地表面传播。 二、反射与折射 当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量 反射回原介质的波称为反射波；另一部分则透过分界面，在另一介质能继续传播 4 基于单片机的超声测距系统 的波称为折射波，如图2 - i 所示。 及耵敬 入射波vw 第一介质 介质分界面 z 、 i f f f f f j f l f f ， 聚 第二介质 图2 1 波的反射与折射原理图 其反射与折射满足如下规律： 1 反射定律 入射角口的正弦与反射角口的正弦之比，等于波束之比。当入射波和反射 波的波形一样时，波速一样，入射角口即等于反射角口。 2 折射定律 入射角a 的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波中介质的波速v ，与折射 波中介质的波速v ，之比，即 罢：旦 ( 2 1 ) s i n 卢屹 、。 3 反射系数 当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质的密度不同和声速在 其中传播的速度不同，在分界面上声波会产生反射和折射，反射声强厶与入射 声强厶之比，称为反射系数，反射系数月的大小为 胄：孕：( 生竺删) ： ( 2 2 ) l n、z ! c o s + zl c o s p 。 、 式中：厶为反射声强；厶为射声强；z l 为第一介质的声阻抗；z 2 为第二介 质的声阻抗。 在声波垂直入射时，口= = 0 ，上式可化简为： r = j z 鬲- z i ) 2 ( 2 - 3 ) 第二章超声测距技术综述 若声波从水中传播到空气，在常温下它们的声阻抗约为z l = 1 4 4 x 1 0 6 ， 乙= 4 x 1 0 2 ，代入上式则得r = 0 9 9 9 。这说明当声波从液体或固体传播到气体， 或相反得情况下，由于两融介质得声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。 三、声波的衰减 声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体其次， 固体吸收最小而衰减最小，因此对于一给定强度的声波，在气体中传播的距离会 明显比在液体和固体中传播的距离短。另外声波在介质中传播时衰减的程度还与 声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此超声波比其他声波在传播 时的衰减更明显。 衰减的大小用衰减系数a 表示，其单位为d b l n ，通常用1 0 。d b m m 表示。 在一般探测频率上，材料的衰减系数在一到几百之间，如水及其他衰减材料口为 ( 1 卅x 1 护d b m m 。假如a 为1d b m m ，则声波穿透l m m 距离时，衰减为1 0 ； 穿透2 0 m m 距离时，衰减为9 0 1 习。 2 1 2 超声传感器结构 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此， 利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。它是一种将其他形式的能转变为 所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用 的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1 压电传感 器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种 类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样 的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探 头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”【6 j 。 压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头 等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超 声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的 如石英，妮酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钦酸钡等。其具有下列的特性： 把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力， 6 基于单片机的超声测距系统 则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加 以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可 以制成超声传感器。 传感器的主要组成部分是压电晶片，当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振 动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引 起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者 即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感 器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶 瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶 片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小 和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为交流电压，它就会 产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果 在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形 是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的 电信号【7 】o a b 聪电晶片 图2 - 2 双压电晶片示意图 双压电晶片如图2 2 所示，当在a b 间施加交流电压时，若a 片的电场方 向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。 c m a b r m 图2 3 双压电晶片的等效电路图 7 第二章超声测距技术综述 双压电晶片的等效电路如图2 3 所示，c 0 为静电电容，r 为陶瓷材料介电损 耗并联电阻c m 和l m 为机械共振回路的电容和电感，r m 为损耗串联电阻。压电 陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率五。发射超声波时，加在其上面的 交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏 度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改 变其固有谐振频率，利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。 屏蔽橱 图2 - 4 超声传感器结构图 超声波传感器的结构如图2 - 4 所示碍】，它采用双晶振子，即把双压电陶瓷片 以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长另一片就缩短。在双晶振子的 两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板( 振动板) 接到一个电极端，下面用 引线直接接到另一个电极端。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸 起部分支撑着。这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振 子，发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波：接 收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以能产生高效率的高频电压。 8 基于单片机的超声测距系统 2 1 3 超声传感器的主要参数及选择 一、主要参数 1 中心频率 中心频率，即压电晶片的谐振频率。当施加于它两端的交变电压频率等于晶 片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。中心频率最高，测距越 短，而分辨力越高。常见超声波传感器的中心频率有有3 0 k h z 、4 0 k h z 、7 5 k h z 、 2 0 0 k h z 、4 0 0 k h z 等。 2 灵敏度 灵敏度的单位是分贝( d b ) ，数值为负，它主要取决于晶片材料及制造工艺。 3 指向角 指向角是超声波传感器方向性的一个参数，指向角越小，方向性越强。一般 为几度至几十度。 4 工作温度 工作温度是指能使传感器正常工作的温度范围，其温度上限应远于居里点温 度。以石英晶片为例，当温度达至l j + 2 9 0 * ( 2 时灵敏度可降低6 。一旦达到居里 温度点( + 5 7 3 ( 2 ) ，就完全丧失压电性能。供诊断用的超声波传感器的功率较小， 工作温度不高，在一2 0 + 7 0 温度范围内可以长期工作。治疗用的超声波传 感器温度较高，必须采取冷却降温措施唧。 二、超声传感器的选择 超声波传感器有多种结构形式，可分成直探头( 接收纵波) 、斜探头( 接收横 波) 、表面波探头( 接收表面波) 、收发一体式探头、收发分体式双探头等。超声波 传感器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封放水型等多种产品。一般电子市场 上出售的超声波传感器常见的有收发一体式和收发分体式两种。其中收发一体式 就是发送器和接受器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接受超声波：收发 分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。 在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多：频率取得太高， 在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高。本文中选用的探头是 4 0 k h z 的收发分体式超声传感器，由一支发射传感器u c 肛- - t 4 0 k 1 和一支接收传 9 第二章超声测距技术综述 感器u c 卜r 4 0 k l 组成，其特性参数如表2 1 所示。 表2 - 1 传感器特性参数表 型号 u a - t 4 0 k 1i i c m | r 4 0 k 1 结构开放式开放式 使用方式发射接收 中心频率 4 0 1 l m z 3 8 l k h z 频带宽 2 o 5 k h z2 0 5 k h z 灵敏度 1 1 0 衄v u b a r 一6 5 d b v ，u b 口 声压 11 5 d b m i n ( 0 d b = 0 0 2 m p a ) - - 7 0 d b m i n ( 0 d b = 1 v u b a r ) 指向角 7 5 。8 0 a 容量2 5 0 0 - 4 - 2 5 p f 2 5 0 0 2 5 p f 最低使用温度 一2 0 。c一2 0 最高使用温度 + 6 0 + 6 0 最大输入电压 2 0 、k2 0 v 2 2 超声测距原理与方法 超声测距方法有脉冲回波法、共振法和频差法。其中脉冲回波法测距最为常 用，它主要基于超声测距回波信号的识别，多采用模拟方法，用电路来实现。 吨 、_ 弋l h “ i 目 标 图2 - 5 超声测距原理图 如图2 5 所示，其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物， 经反射后由超声传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间，在 已知超声波声速v 的前提下，利用： s：三刀(2-4) 2 1 0 基于单片机的超声测距系统 即可计算得传感器与反射点之间的距离s ，测量距离 d = 当s h 时，则d s ，即： d ：三玎 2 2 3 系统主要参数考虑 2 3 1 传感器的指向角 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 传感器的指向角是声束半功率点的夹角，是影响测距的_ 个重要技术参数， 记为0 ，它直接影响测量的分辨率。对圆片传感器来说，它的大小与工作波长a ， 传感器半径r 有关。由 ( 2 z a ) ，s i n ( 0 2 ) = 1 6 1 5 ( 2 7 ) 选五= 4 0 k h z 时，a = c f o = 8 5 m m 。当五选定后，指向角口近似与传感器 半径成反比。指向角0 愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径，愈大。鉴于 目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低成本，在不降低空间分辨率的条件 下，选用国产现有压电传感器片最大半径，= 6 3 r a m ，故 0 = 2 + a r c s i n ( 1 6 1 5 二) = 7 5 。( 2 - 8 ) 2 石r 。 2 3 2 测距仪的工作频率 由文献【1 0 】，空气中超声波的衰减系数为： 口= a s = 2 + 矿 ( 2 9 ) 所以，空气中超声波的衰减对频率厂很敏感，要求合理选择超声波频率，一 般在4 0 k h z 左右，太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。 传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和 吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。 工作频率的确定主要基于以下几点考虑： 第二章超声测距技术综述 1 如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波 的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。 2 工作频率越高，对相同尺寸的还能器来说，传感器的方向性越尖锐，测 量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚， 因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。 3 从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装 就越困难。 综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在 4 0 k h z 。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比，虽然传播损失 相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。 2 3 3 温度对声速的影响 由2 2 可知，声速的大小线性的决定了测距系统的测量精度。空气中传播的 超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气 体反抗压缩变化力的作用，实现超声波在空气中传播。因此，超声波的传播 速度受气体的密度、温度及气体分子成份的影响，即： c s = 括 式中：g 为超声波声速；召为气体的弹性模量；p 为气体的密度。 气体弹性模量，由理想气体压缩特性可得： b = ，p( 2 1 1 ) 式中：，为定压热容与定容热容的比值，空气为1 4 0 ：p 为气体的压强。 而气体的压强公式为： 尸：丝：r t p ( 2 1 2 ) vm 、7 式中：r 为普适常量8 1 3 4 k g m o l ：t 为气体温度k ( 绝对温度) ；m 为气体 分子量；空气为2 8 8 1 0 一k g m o l 。 所以： 1 2 基于单片机的超声测距系统 d ：厚 vm ( 2 - 1 3 ) 由上式可知，温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响 1 1 “1 2 。其变 化公式为： c a = 2 0 0 6 7 打( m s ) 式中：r 为气体温度k ( 绝对温度) 。 ( 2 一1 4 ) 由于该测距系统用于室内测量，且量程 也不大，温度可以看作定值。在常温2 0 c 下，声音在空气中的传播速度可依据 上式计算出为3 4 4r i d s 。但当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度的 影响。 2 3 4 发射脉冲宽度 发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发 射能量有关。根据资料【1 3 】，减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减4 , n 量 盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。但是根据实际的经验，过宽 的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。在具体设 计中，比较了2 5 us ( 1 个4 0 k h z 方波脉冲) ，1 0 0 s ( 4 个4 0 k h z 方波脉冲) ，2 0 0 ps ( 8 个4 0 k h z 方波脉冲) ，8 0 0i ls ( 3 2 个4 0 k h z 方波脉冲) 的发射脉冲宽度， 作为发射信号后的接收信号。最终采用短距离( 2 m 内) 发射2 0 0 ps ( 8 个4 0 k h z 方波脉冲) 发射脉冲宽度；长距离( 2 m 外) 发射8 0 0us ( 3 2 个4 0 k h z 脉冲方波) 的 发射脉冲宽度，同时单片机编程避开盲区。此时，从接收回波信号幅度和测量盲 区两个方面来衡量比较适中，并且接收准确响应速度快。 。 2 3 5 测量盲区 在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感 器的同时也进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没 有放大作用，这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内 的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物， 这是需要注意的。由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题， 在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离， 称为盲区，具体分析如下： 第二章超声测距技术综述 放丈器输入电压 发射藉时鞫 图2 - 6 传感器回波测距原理分析图 如图2 - 6 所示，当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停 止施加发射信号后，探头上还存在一定余振( 由于机械惯性作用) 。因此，在一 段较长时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具一定幅值高度，可以 达到限幅电路的限幅电平；另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却 远比发射信号小，即使是离探头较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路 的限幅电平。当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其 幅值也愈来愈小。在超声波检测中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢 的多。为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定的阈值y 新，亦即接收信 号的幅值必须大于这一阈值才能使接受放大器有输入信号。由图2 5 可见，从b 点以后，接收的信号低于阈值，相当于测距的远限。另外，从图中a 点以后， 接收信号才比发射信号大，但还将与发射信号相迭加，难以分辨。从c 点以后， 发射信号低出阈值砌l ，接收信号才基本摆脱发射信号干扰，而能明显的被分辨， 所以在要求较高时，把o c 这段时间规定为盲区时间。从距离上说，根据盲区时 间和声速，就可以求得盲区距离。因此，c b 为可测距范围：b 点就为测距远限， 其外部就为测量不到的区域。 2 4 本章小结 本章首先介绍了超声波的形成、超声波在传播过程中的反射折射规律以及如 何衰减：通过详细分析超声传感器的内部结构以及影响超声传感器的几个重要参 数给出本系统设计中所用超声传感器的特性参数；分析了超声波测距的基本原 理，并在此基础上给出了测距的几种常用方法以及传感器指向角、工作频率、环 境温度、发射脉冲宽度和测量盲区对超声测距精度的影响。 1 4 第三章超声测距系统总体设计方案 第三章超声测距系统总体设计方案 3 1 概述 上一章我们就影响超声测距误差的几个因素做了分析，并为本系统选择了比 较适合的传感器，即由一支发射探头u c m - - t 4 0 k 1 和一支接收探头u c m r 4 0 k 1 的收发分体式传感器。本章主要在此基础上就如何具体设计本系统f 1 纠叼进行详 细分析。系统计划在实验室内实现小范围测距，测试距离约在4 米以内，系统 整体结构如图3 1 所示。 茁 叫堕卜爨卜障 显 片 机 l 兰卜刁i 处 一 碍 电 理 苴风 一 + 匦亘惟到外一 物 路 兀 图3 - l 系统设计方案图 发射电路采用单片机p 1 0 端口编程输出4 0 k h z 左右的方波脉冲信号，同时 开启内部计数器t o 。由于单片机端口输出功率很弱，为使测量距离满足要求， 驱动超声传感器u c m 4 0 t 发射超声波距离足够远，故在此电路上加功率放大电 路。 从接收传感器探头u c m 4 0 t 传来的超声回波很微弱( 几十个m v 级) ，又存 在着较强的噪声，所以放大信号和抑制噪声是放大电路必须考虑的。本系统设计 此部分电路时采用一级放大，和一带通滤波电路，中心频率4 0 k h z 左右，放大 滤波电路均采用了高速精密运算放大器t l 0 8 2 ，输出信号大约在5 v 左右。 由于放大电路输出的信号是连续的正弦波叠加信号，而单片机所能接受的中 断响应信号常为下降沿脉冲信号，故信号在放大电路后通过l m 3 9 3 构成的比较 电路，将正弦信号转换成方波信号，用方波的负跳交作单片机的中断输入，目的 使得单片机知道已接收到超声信号，内部计数器停止计时。 1 5 基于单片机的超声测距系统 显示电路采用动态扫描显示，主要是处于节省硬件的考虑。通过单片机编程 将内部计数得到的时间数据，转换为距离信息，通过3 位l e d 数码管显示，数 据x ，表示x x x e m 。 综合考虑设计电路如图3 2 所示，以下几节对电路每个部分分别进行了介绍。 3 2 发射电路的设计 如图3 - 2 实验实物图 3 2 1 发射电路常用方案 一、发射电路输出波形分析 1 发射波形的重复性 为获得高分辨力，发射电路设计应保证发射的超声波波形有良好的重复性； 此外，所发射的超声波应尽量单纯，即发射波的各个振动应近似为同一频率的振 动，以便接收时可采用带通滤波器消除干扰和每次都接收到同一个振动波峰。为 避免超声波在障碍物表面反射时造成的各种损失和干扰。 由于超声波是换能器压电晶片振动时推动附近的空气发出的疏密波，其“波 形”应与晶片振动规律相同。发射电路设计的是否合理直接影响发射波功率和波 形的重复性。 1 6 第三章超声测距系统总体设计方案 通常发射电路按发射方式分为：单脉冲发射、多脉冲发射和连续发射。测距 所用超声波一般都是间断单脉冲发射，每测距一次，发送、接收一次。间断地激 发换能器晶片振动。此方法测试距离太近；本系统采用间断多脉冲发射，系统自 动识别被测距离远近，设置发射脉冲个数。 2 发射波形电压及功率 传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度，综合各种 损耗的因素，包括往返传播损失，声波传输损失，声波反射损失，环境噪声损失； 另外考虑实际发射传感器的最大输入电压为2 0 v p - p ，以及单片机正常工作输出 最大电压5 v ，传感器发射信号的功率直接决定发射探头发出超声信号的远近， 所以考虑电压的同时应该考虑如何提高其功率，才能使得发射电路更合理。 二、发射电路常用方案 由上面的分析，我们知道发射电路设计的主要目的是抬高输入到发射探头的 电压及其功率。本系统用单片机p 1 0 发射一组方波脉冲信号，其输出波形稳定 可靠，但输出电流和输出功率很低，不能够推动发射传感器发出足够强度的超声 信号，所以在此间加入一单电源乙类互补对称功率放大电路，如图3 - 3 所示。 + v c c 3 2 2 功率放大电路 一、功率放大电路特点f m l 8 】 fj = - o 了 图3 - 3 发射电路图 1 7 基于单片机的超声测距系统 功率放大电路的主要任务是向负载提供一定的不失真( 或失真较小) 的输出 功率，即不仅要输出大幅度的信号电压，同时还要输出大幅度的信号电流，通常 是在大信号状态下工作，因此，功率放大电路包括着一系列在电压放大电路上没 有出现过的特殊问题，这些问题是： 1 要求输出功率尽可能大 为获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因 此管子往往在接近极限运用状态下工作。 2 效率r 由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问题。 所谓效率就是负载得到的有用功率p o 与电源供给晶体管功率b 的比值，用叮表 示。 打：e o 1 0 0 。 忍 ( 3 - 1 ) 直流电源供给的功率除了一部分变成有用的信号功率以外，剩余部分变成晶 体管的管耗p c ( p c = b p b ) 。如果放大器的效率较低，不仅使直流电源的供给 功率增加，而且使晶体管的管耗增大，使功率管发热损坏。所以，对于功率放大 器，提高效率也是一个重要问题。 3 非线性失真要小 功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，而且 同一功放管输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失 真成为一对主要矛盾。在工业控制系统等场合中，则以输出功率为主要目的，对 线性失真的要求就降为次要问题。 4 b j t 的散热问题 在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，使结温和管壳 温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，放大器件的散 热就成为一个重要问题。 概括起来说，功率放大电路就是要在保证晶体管安全运用的情况下，获得尽 可能大的输出功率、尽可能高的效率和尽可能小的非线性失真。 1 8 第三章超声测距系统总体设计方案 二、功率放大电路分类 功率放大电路根据功放管导通时间的长短( 或集电极电流流通时 间的长短或导通角大小) ，分为以下4 种状态【l 研： 1 甲类工作状态：在整个周期内晶体管的发射结都处于正向运用，集电极 电流始终是流通的，即导通角等于1 8 0 。，如图3 “口) 所示。甲类工作状态又称 为a 类工作状态。 2 乙类工作状态：晶体管的发射结在输入信号的半个周期正向运用，另外 半个周期反向运用，晶体管半周导电半周截止。集电极电流只在半周内随信号变 化，而在另外半个周期截止，即导通角等于9 0 。，如图3 - 4 ( b ) 所示。乙类工作 状态又称b 类工作状态。 3 甲乙类工作状态：它是介于甲类和乙类之间的工作状态，即发射结处于 正向运用的时间超过半个周期，小于一个周期，即导通角大于9 0 。小于1 8 0 。， 如图3 - 4 ( c ) 所示，甲乙类工作状态又称为a b 类工作状态。 4 丙类工作状态：发射结处于正向运用的时间小于半个周期，集电极电流 流通的时间还不到半个周期，即导通角小于9 0 。，如图3 - 4 ( d ) 所示，丙类工作 状态又称为c 类工作状态。 低频功率放大电路只使用前3 种工作状态，丙类工作状态一般用在高频功率 放大电路和振荡器中。 o k 垦昼 一 手 子卜r - q k 翁扇一 手 手卜 1 i )i ， l c ， 图3 4 放大器工作状态类型图 ( a ) 甲类i b ) 乙类( c ) 甲乙类d ) 丙类 三、双电源乙类互补对称电路 我们知道甲类功率放大电路在无输入信号时工作点电流较大，因而效率较 低，最高为5 0 ：乙类工作状态，使晶体管静态工作电流为零，这样，在无输 入时，晶体管就不消耗功率，于是效率就得以提高。但是输出波形将削去一半， 1 9 ， 台卜一上：o鱼争n 忪黔 o - 基于单片机的超声测距系统 产生严重非线性失真，为解决此矛盾，我们选用两只特性完全相同的异型晶体管， 使它们都工作在乙类状态。两只晶体管轮流工作，一只晶体管在输入信号正半周 导通，另一只晶体管在输入信号负半周导通，这样两管交替工作，犹如一推一挽， 在负载上合成完整的信号波形。 1 电路组成 i ，佃) 图3 - 5 基本互补对称电路图 ( 口) 电路( 6 ) 电流波形 电路如图3 - 5 ( a ) 所示，vl 和v 2 分别为n p n 和p n p 型管，两管的基极和发 射极相互连接再一起，信号从基极输入，从射极输出，r l 为负载。电路采用艮 两组电源供电。电路工作原理很简单，在无信号时，两管基极的静态电位为零， 所以v i 、v 2 都不可能导通，处于截止状态，静态工作电流i c e = 0 。假设管子导 通电压为零，考虑到b j t 发射结处于正向偏置时才导电，因此当信号处于正半 周对，v2 截止，v l 承担放大任务，有电流通过负载i k ；而当信号处于负半周时， v1 截止，由v2 承担放大任务，仍有电流通过负载r l ：这样，图3 5 所示基本 互补对称电路实现了在静态时管子不取电流，而在有信号时，v l 和v 2 交替工作 轮流导电，组成推挽式电路，在负载r 上合成一个完整