超声波测距装置设计文献综述.doc

附1 成绩： 西安建筑科技大学华清学院毕业设计 (论文)文献综述院 （系）： 机械电子工程系 专业班级： 自动化0802 毕 业 设 计论 文 方 向 ：单片机实际工程应用 综述题目： 超声波测距装置设计概述 学生姓名： 蒋 鑫 学 号： 0806010228 指导教师： 孟 月 波 2012年 3 月 17 日超声波测距装置设计摘要：为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。本文所介绍的三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息 分析了汽车倒车防撞系统的基本设计原理以及目前国内外此类防撞系统存在的问题，较详细的介绍超声波测距系统以及根据该系统设计原理、方法和步骤，研制的汽车倒车防撞报警器。这种报警器在汽车倒车过程中达到极限位置的时候，能自动检测车尾障碍物的距离并发出声光警报，提醒司机刹车。本设计利用超声波传感器进行信号的发射和接收，包括发射、接受以及报警电路三个部分。超声传感器的主要元件是采用压电元件锆钛化铅，具有很强的方向性，报警电路部分是利用声光报警器，将信号传递之后，可实现声音报警，本设计利用国内生产假的通用元件，成本低，性能可靠。有利于推广。 关键字：超声波，防撞，汽车倒车，报警器，传感器1. 前言 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。2. 发展历史 随着机器人技术在其诞生后短短几十年中的迅猛发展,它的应用范围也逐步由工业生产走向人们的生活。如此广泛的应用使得提高人们对机器人的了解显得尤为重要。机器人通过其感知系统察觉前方障碍物距离和周围环境来实现绕障、自动寻线、测距等功能。超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉,测量精度较高,不受环境的限制,应用方便，将它与红外、灰度传感器等结合共同实现机器人寻线和绕障功能。超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，例如：距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。本课题的研究是非常有实用和有商业价值的。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。3.单片机AT89C51介绍 AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4kB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。其实物如图：3.1 图3.1 AT89C51单片机芯片31 Proteus软件介绍Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。32 Proteus功能特点Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是： 1原理布图2PCB自动或人工布线 3SPICE电路仿真革命性的特点 1互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2仿真处理器及其外围电路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。4. 超声波传感器的介绍 超声传感器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”。 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，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。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，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f0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。5超声波测距原理简介5.1超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。5.2压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。5.3超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。测距的公式表示为：L=CT式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。超声波测距误差分析根据超声波测距公式L=CT，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。时间误差当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20室温)，忽略声速的传播误差。测距误差st(0.001/344) 0.000002907s 即2.907s。在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1s的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。超声波传播速度误差超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。已知超声波速度与温度的关系如下：式中： r 气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，R 气体普适常量，8.314kgmol-1K-1，M气体分子量，空气为28.810-3kgmol-1，T 绝对温度，273K+T。近似公式为：C=C0+0.607T式中：C0为零度时的声波速度332m/s；T为实际温度()。对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0时超声波速度是332m/s, 30时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30的环境下以0的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。6.电路设计 超声波发射与接收电路是整个系统的重要部分，因此确定一种好的设计方案关系整个系统的精确性和安全可靠性。本文通过多种方案比较，以达到最佳方案确定。 设计方案一：由施密特振荡器和数字功放电路组成，由P1.0口发出的同步脉冲信号如图6.1。它启动振荡器，输出40KHz的高频信号，经整形及功放电路，加至发射换能器，发出40kHz的超声波。接收电路主要由回波放大接收及比较控制电路组成，如图6.2所示。图6.1接收控制及接口电路 图6.2接收控制及接口电路初始，比较器A1同相端已经通过调整Rr，使其电压略高于2.5V。因此A1应输出高电平，但由于D1相位作用，A1输出低电平，即RS触发器的=0，Q=1，=1,，=0。当P1.0发出启动信号，在A点形成正脉冲，经N1反相，=0，D1相位释放，=1，Q=0，=1（正跳），T0计数器开始计数。脉冲过后，=1，=1，Q=0，=1。回波信号经放大滤波，送至比较器A1的反相端，它是叠加在2.5V电压上的交变40kHz的信号。它的前沿使A1输出低电平。=0，=1，Q=1，=0（负跳），即获得负跳沿信号，CPU响应中断，T0计数停，计数值N1送存RAM。 由于发射探头和接收探头都是平行放置且距离较近，发射探头发射超声波时，接收探头会引起强烈的感应信号，因此必须将其隐去。当P1.0输出启动信号，主控同步脉冲加至比较器A2时，A2输出一个远大于2.5V的电压，经过D2降压后约为7.5V左右，加至A1同相端，又C2的延迟作用，A1同相端产生一定宽度和高度的方波，它的幅度和宽度均大于发射串扰信号，A1输出端即RS触发器的端仍为高电平，这样串扰信号将被隐去。这段时间称为盲区，约2ms。6.1盲区干扰信号的消隐通常发射换能器和接收换能器都是平行放置且距离较近。当发射探头发射超声波时接收换能器接收到的第一个波是串扰直通波，也称泄漏波它是近源的波束旁瓣或通过绕射由发射换能器直接到达接收换能器而造成的。因此，通常接收探头会引起强烈的感应信号。所以必须将其隐去,当P1.0输出启动信息,同步脉冲加至比较器A2时，A2输出一远大于2.5V的电压，经D2降压后大约等于7.5V，加至A1同相端，由于C1延迟作用，A1同相端将产生一定宽度和高度的方波，如图3.2中的（4）所示。它的宽度和幅度都大于发射串扰信号，A1输出端即RS触发器S端仍为高电平，这样串扰信号将被隐去，这段时间称为盲区，约2毫秒。图6.2单片机脉冲序列总 结通过为期三周的资料查阅，使我初步了解了超声波测距的基本