超声波测距.doc

超声波测距仪的设计路锦正,王建勤,杨绍国,赵珂,赵太飞(成都理工大学电子信息工程系,四川成都610059)摘要:介绍了利用微处理机控制单元(MCUmicroprocessorcontrolunit)控制的超声测距仪的原理:由MCU控制时间计数,计算超声波自发射至接收的往返时间,从而得到实测距离。给出了系统构成、电路原理及程序设计。并且在数据处理中采用了温度补偿和修正量的调整。此系统具有易控制、工作可靠、测距准确度高和流程清晰等优点。关键词:微处理机控制单元;超声波传感器;测距;温度补偿中图分类号:TP212文献标识码:B文章编号:1000-9787(2002)08-0029-03DesignofsystemforultrasonicdistancemeasurementinstrumentLUJin-zheng,WANGJian-qin,YANGShao-guo,ZHAOKe,ZHAOTai-fei(DeptofElctInfoEngin,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China)Abstract:PrincipleandstructureofultrasonicdistancemeasurementinstrumentbymasterofMCUareintroduced.WiththecontrolofMCUtooperatethetime-keeping,distancefromtargettooriginalpointisgainedusingproductwiththetimeofultrasonictransmittingbothtothetargetandreflectingbackandthespeedofultrasonicwhichtransmitsintheair.Andsystemstructure,circuitphilosophyandprogrammingarealsospecified.Intheprocessofdata,temperaturecompensationandadjustmentofamendmentammountareused,sotheinstrumentsystemhasfeatures:easeofcontrol,stabilityofoperation,highnessofprecisionanddistinctnessofprogrammeprocess,etc.Keywords:microprocessorcontrolunit(MCU);ultrasonicsensor;distancemeasurement;temperaturecompensation0引言超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比,如电磁的或光学的方法,它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距,由于空气中波速较慢,其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来,具有很高的分辨力,因而其准确度也较其它方法为高;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。1超声测距超声波传感器的工作原理是陶瓷的压电效应。超声波传感器在测量过程中,声波信号由传感器发出,经液体或固体物体表面反射后折回由同一传感器接收,可以测量声波的整个运行时间,从而实现物位的测量。本仪器是现场监控系统的液位测量子功能模块。测距仪系统所用传感器是CUSS100。CUSS100超声波传感器采用声波反射原理,从而避免传感器直接与介质接触,实现非接触测量物位,这一点对固体散料、粘稠介质,固体、液体混合介质的物位测量非常重要。其最佳工作频率75kHz,适于中程范围测量,最大量程10m,盲区20cm,脉冲触发模式工作。此类传感器适应强,可在-4090环境下正常工作,散射角最大15。为测量更精确,鉴于声速受温度影响最大,测距数据处理过程采用了温度补偿。且各种温度传感器均可用于本系统的温度补偿。1.1测距原理脉冲法测距的原理如图1所示。Fig1Principleofmeasuringdistance首先超声波传感器向空气中发射声脉冲,声波遇到被测物体反射回来,若可以测出第一个回波达到的时间与发射脉冲间的时间差t,利用s=12tv,即可算得传感器与反射点间的距离s,测量距离,若sh时,则ds,本仪器采用收发同体传感器,故h=0,则d=s=(1/2)t*v。1.2温度补偿常温常压下,空气近似为理想气体。超声波在理想气体中传播速度为,式中为气体摩尔质量;r为气体的比热比;R为气体常数;T为热力学温度。对于一定的气体r、为定值。由公式可知:声速与热力学温度的平方根成正比。温度越高声速越大,温度越低声速越小。0时,空气中声速的实验值为331.45m/s,空气中声速表达式为,由实验分析得距离计算公式为,式中N为计数个数;fr为参考频率;为摄氏温度;s为距离。在25时,s=0.1731425N-15(mm)为本仪器的距离计算公式。电路中未用温度传感器,所以仅进行常温下的声速补偿:v=346.285m/s。在其它情况下,可根据具体需要而程序会略有改动。2系统结构及工作原理仪器系统结构及原理框图见图2。功能键按下使MCU(微处理机控制器,俗称单片机)激发一个触发脉冲,发射电路工作应发射75kHz频率的方波,从而激励传感器产生超声波。触发脉冲的宽度决定75kHz方波的个数。接收电路接收到回波信号,经放大、检波、整形成为宽度小于触发脉冲的正脉冲。MCU收到此脉冲(上升沿触发),则停止计数,计数器内的数值(再乘以机器周期1s)即为被测时间的2倍。由d=vt/2即可算得距离。3硬件系统仪器系统的硬件由中心控制单元MCU、显示电路、发射接收电路、功能选择、收发同体传感器和电源等。3.1超声波传感器人们为研究和应用超声波,已发明设计并制成了许多类型的超声波发生器:机械方式和电气方式产生超声波发生器。实质上,超声波发生器即是超声波换能器:它将其它形式的能量转换成超声波的能量(发射换能器来完成)和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量(接收换能器来完成)。一般是用电能和超声能量相互转换。电气方式类型包括:压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械式方式有气流旋笛、液哨和加尔统笛等。各种类型产生的超声波的功率、频率和声波特性都不相同。目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。而压电材料有单晶体的、多晶体复合的,如石英单晶体,钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT-4,PZT-5)等。压电型超声波传感器的工作原理1,2:它是借助压电晶体的谐振来工作的,即陶瓷的压电效应。其结构原理如图3(a)所示。有两块压电晶片和一块共振板。当它的两电极加脉冲信号(触发脉冲),若其频率等于晶片的固有频率时,压电晶片就会发生共振,并带动共振板振动,从而产生超声波。相反,电极间未加电压,则当共振板接收到回波信号时,将压迫两压电晶片振动,从而将机械能转换为电信号,此时的传感器就成了超声波接收器。超声波传感器用等效电路1(如图3(b)所示)来分析共振频率附近的超声波换能器的特性:换能器的器械能用Qm;电能用Qe表示。由图3(b)分析可知,Q恰好是电路的串联支路的Q值。设换能器在空载(Z1=0)和有载(Z1=R1)时的Q值分别为Qm0、Qm,则有Qm0=L1w0/R0=1/C1