超声波测距模块

1、超声波测距系统超声波工作原理超声波应用超声波发射头研究超声波发射电路电路设计 超声波测距接收方案设计 超声波测距特点及影响因数 软件设计参考文献总结超声波测距原理:超声液传感器是利用压电毁应的原理.压电效应有逆软应和顺效应蒯声波传感器是可逆 元件*桎声浊发送器就是利用压电逆效应的原理"所谓压电逆效应如圏所示，是在压电元 件上施加电压，元件戟变形*即座娈*若在图S-Ha)所示的已扱吧的压电陶瓷上施加如图8< 所示械性的电压外部O正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥+同吋外部负电荷与援 牝负电荷相斥+由于相斥的件用匣电购瓷在厚度方向上犒短，在长度方向上沖氏*若外部 施加电压的极性变反*

2、如囹f-Kc)所示那样*压电陶瓷在厚度方向上伸长在长度方向上箱 海，电段A圧电翡覩/岳丽方向上伸隹(b)外加眼压产生的应豈图E-i 伍电逆蟆应说廃净向上站短© /U>外加电压郴反产生的应蛮超声波在相同的传播媒体里(大气条件)传播速度相同，即在相当大的频率范围 内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械 波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波是类 似的。A - A (JT )CO5(fxJkx(I)A (x) =(2)式中,A (x )为振幅,A o为常数,3为圆频率,t为时间,x为传播距离,k= 2 n /入 为波数，入为

3、波长，a为衰减系数。衰减系数 a与声波所在介质及频率的关系为 a=a(3)式中,a为介质常数,f为振动频率。在空气里,a = 2X 10- 13 s2/cm,当振动的 声波频率f = 40kHz (超声波)代入式(3)可得a = 3.2 X 10-4 cm1 ,即1/ a= 31m; 若f = 30 kHz, 则1/ a= 56m。它的物理意义是：声波在空气媒质里传播，因空 气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗。在(1/ a长度上，平面声波的振幅 衰减为原来的e分之一，由此可以看出，频率越高，衰减得越厉害，传播的距 离也越短。考虑实际工程测量要求，在设计超声波测距仪时，选用频率f = 40kH

4、z 的超声波,波长为34000/40000=0.85cm。超声波测距应用:1. 超声波流量计：测量水的流速，这是因为超声波是一种机械波，依靠介质才 能传播，其传播方向受介质运动影响，因此，水可以改变传播方向。进而可 以做出超声波流量计，可应以自来水、工业用水、农业用水等进行测量。还 适用于下水道、农业灌渠、河流等流速的测量。2. 超声波测距仪：用以测量液位、井深、管道长度、建筑测量、厚度测量等。3. 报警器：盲人探路器、防盗报警等4.定位系统：用以探测超声波发射源位置，在生活中有重要意义，如人说话、 呼吸的时候不光产生声波，同样 与空气分子碰撞就产生超声波。气蚀、齿轮运行、电晕放电等都 里有漏

5、洞。呼出的气体分子 阀门泄漏、阀门也会产生部分超声波，气管漏气，轮胎漏气， 会产生超声波。通过接 收器看以看出哪超声波发射头研究：保持vi不随f变化，测量数据如下：（频率单位：khz，输出电压为峰峰值，单位V）Vof1020303538404245505152535560Vo9.528.166.085.444.323.764.326.483.281.61.926.88.326.32jeck图1-1108642002060801.27k Q 和 381 QU3C56C0U3AU3B4069U3D0.01uf98406940691110C110.01uf31240694069 U3F40 f/KH

6、Z万案一超声波发射电路40khz, 一个是 51khz;从图中可以得出结论：超声波发射的串联谐振频率有两个，一个是 其对应的阻抗分别为23 1P1.0-由单片机产生40KHZ的方波，并通过单片机的 P1.0 口接到CD4069,而后 面的CD4069则对40KHZ频率信号进行调理，以使超声波传感器产生谐振。超声波发射电路信号走向图1-2超声波接收电路D1CX2 01 061 2 3 4 5 6 7 8VCCrR4C2C33.3302：OC13.3nVCCLEDR21kR71 5kQ29 014R31 00Q3901 8图1-3当超声波接收头收到发射信号时， 便通过CX20106进行前置放大、限

7、幅放大、带 通滤波、峰值检波和比较、积分及施密特触发比较得到解调处理后的信号。7脚为信号输出口，没收到信号时为高电平，收到后变为低电平，之后又恢复高电平。（a）为接收信号，（b）为有源峰值检波，如图1-4擴收出（bj 输出图1-4CX20106 使用超声波接收电路使用了集成电路 CX20106AI至叽CX20106A是日本索尼公司 生产的红外遥控系统中作接收预放用的双极型集成电路， 可用来代换多种型号的 遥控接收集成电路。CX20106A勺内电路框图及信号流向如图1-4所示。CX20106内部结构如下：集成电路CX20106A可用来完成信号的 放大、限幅、带通滤波、峰值检波和 波形整形等功能，

8、各部分参数值如表1-1所示。其中的前置放大器具有自动增益 控制功能，可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载；其带通滤波器中心频率可由芯片脚5的外接电阻调节，不需要外接电感，可避免外磁场对电路的干扰， 可靠性较高。CX20106A接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力，可以满足接 收电路的要求。同时，使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰，减小电噪CX20106主要引脚说明（表1-1）:脚 号符号引脚名称说明1IN信号输入 端该脚输入阻抗约为40 士 5k92RCRC网络连 接端该脚与地间接有RC串联网络，用来确定前置放大器

9、的频率特性和增益。电阻增大，电容值小，则增益低：反则高。但电容不宜过大，否则瞬态响应速度会降低。3C检波电容 连接端该脚与地间连接着检波电容。电容量大为平均值检 波，瞬态响应灵敏度低；电容量小，则为峰值检波， 瞬态响应灵敏度高，但检波输出的脉宽变动大，易造 成遥控误动作。4GND接地端5f 0带通滤波 器中心频 率设置端该脚与电源间所接电阻R用来设置带通滤波器的中心频率f 06330p积分电容 连接端该脚所接的积分电容，标准值为 330PF当其容量值 变大，则外部噪波干扰增强，而且输出脉冲的低电平 持续时间增加，遥控距离变短。7OUT信号输出 端该端口为集电极开路输出端。该脚和电源之间连接一

10、只R3电阻后，输出脉冲低电平的标准值约为0.2V。8Vcc供电电源 端（5 士 0.3 ） V表1-1CX20106参数表（表 1-2）:表3-2 CX20106A参数偵 Tab,3-2 Piranieter values of CX2O106A最小典型最大单位输入电压2.02.511V輛出电压"氐电平）0.20.4V输出漏电流022电压壻益7479S4dB带通滤枝器特性斗9dB输入阻抗274055kQ检波能力440540750旳消耗电流1.0L82.8mA表1-2当电阻在200k220k时，f。=40kHZ左右。引脚6接330p的电容3接3.3uf的电解电容引脚2:用以调节放大倍数

11、，及增益，实际使用情况如下：测试条件：RC网络连接端中R仁5Q ,Vcc=5V,测量距离为单程，以下为粗略值,仅供参考C1104103472332102手指发声 距离1.5m0.75m0.5m0.3m0.2m测量距离10m以上9m7m6m5m表1-3此电路制作成功，能够测量20cm-3m间的距离，显示最小值为1cm。遇到的问题-已解决：超声波T和R不能太近，如3cm,否则CX2010&艮容易受到干扰使图1-3的发光 二极管不停地闪烁，CX20106的增益在74db以上，很高，很容易受到干扰信号 的影响，实际相隔6cm时解决了此问题。等待解决的问题:VCCR11 KR0100LXQ1S8

12、050VDDCX20106当1脚接的超声波探头T靠近电源时，如 果RC网络连接的C比较大时会受到电源的干扰，使 LED闪烁。如果超声波软件开始发射时，启动CD4069 电源，发射完后关闭CD4069勺电源，VDD为CD4069 的电源端，其方法是利用单片机的P1.1 口来控制CD4069的电源开与关。其电路如图1-6。实验效果 表明，在本方案中CX20106会受到干扰，我想可能 是电源稳定受到该影响。然而方案二利用LM324来做接收时，原先多次显示出来的数据只有少数是正 确测量出来的结果，利用此图1-6的方法确实减少 了很大的干扰，但仍然有点干扰，多次显示出来的 数据只有少数是不正确的结果。图

13、1-6万案二1-7VCC发射电路如下图图 1-069VDD单片机P1.0为超声波脉冲发射端，P1.1为超声波发射驱动电路 CD4069电源控 制端，当要发射超声波时启动 CD4069的电源，发射后关闭其电源，以减小超声 波T带来的干扰，因为电源可能不是十分稳定，含有很小的高频的交流成分，尽 管很小，但传到超声波发射端T时，会发射出去，引起接收的干扰。本发射电路 在一定程度上减小了 T对R的干扰。要进一步减小其干扰，就是让 VDD=VCC同 时要求电源绝对的稳定，不受 Q1开关的影响，否则接收电路 LM324电压比较的 参考电压将会受到影响。超声波接收电路如图1-8hkAmufon-0 ORCC

14、R Kn图1-8此接收电路接收到的超声波信号经过三级 20*20*10=2000倍左右的放 大。可以测量高达3m远的距离，然后给LM358故电压比较得到TTL方波信号给 单片机接收。此电路优点：为一个40khz的带通滤波器，就是Q值过低，此电路 有以下缺点：第一：LM324其对40khz的信号放大时，放大倍数受到频率高的限制，即增益带宽积fH*Au,使放大倍数最高位20,这是经过示波器多次数据测量 和观察的结果。第二：电源不能很稳定，没有做稳压块，会使LM358电压比较器 的参考电压受到波动，只要有一点波动会使反向放大器波形受到破坏，这个电压稳定相当重要。第三：带通滤波效果差，Q值低，因而外界

15、干扰信号或噪声干扰 也得到比较大的放大。此电路制作只是半个成功，即可以测量距离，但有时显示不正确。超声波测距注意问题及改善方法a. 温度影响测量精度：稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件 <而超声波在空气中传播时，其速度受到了温度、湿度、粉尘、大气压、气流等因素的影响。其中温 度影响最大，超声波在空气中的速度与温度的关系表达式为：一 331.45Y 273.16由泰勒公式展开可近似为c=331.5+0.607t式中，t是环境摄氏温度C ）。所以, 温度每变化1C，波的速度变化为0.6m/s。可见温度对声速影响很大，测量时必须进行温度补偿。b. 超声波在空气中传播经过多条相隔很

16、近的路径多次来回影响，解决方法有两个：第一是超声波发射间隔时间增长；第二就是超声波发射模块做小，同时探头T与R平行于电路板，减小其来回反射路径。c. 提高超声波发射功率，可以增加测量距离，可以采用变压器实现升压。d. 超声波发射头和接收头由于靠的很近，容易受到发 射的干扰，应该尽量避免余 波的干扰。从图1-9中可以 看到，当发射超声波脉冲时， 几乎在同一时刻收到了。解 决方法：一个是增加T/R之 间的安装距离，第二就是软 件解决，在发射完后，延长 一段时间再开启检测超声波 发射的信号。这就是超声波 存在最小测量距离的主要原 因。图1-9e. 避免手接触超声波电路板，容易产生干扰。f. 提高电源的稳定性g. 测量距离时，应尽量保证，传感器轴线与被测物表面垂直；实际测距范围与被测物表面材料有关，一般不要测量表面为毛料的物体表面超声波对色彩、 关照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光 体);？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；超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠， 易于小型化和集成化优点： 物美价廉，一对超声波探头 ,如型号 T/40-16 只要 4.5元； 体积小，易于集成化 参考文献 ：1. 新编单片机原理与应用第二版 潘永雄编著 西安电子科技大学出版