基于单片机超声波测距仪.docx
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基于单片机超声波测距仪
摘要
随着社会经济的发展和交通运输业的不断兴旺,汽车的数量在不断的增加。
交通拥挤状况也日益严重,撞车事件也经常发生,造成了很多不可避免的人声伤亡和经济损失,面对这种情况,设计一种响应快、可靠性高并且比较经济的汽车防撞预警系统显得非常的重要。
超声波测距法是一种最常见的距离测量方法。
本文介绍的就是利用超声波测距法设计一种倒车防撞报警系统。
首先,论文在分析超声波的物理特性、超声波传感器的特性、超声波测距原理等基础上,结合本课题,给出了几种测量方案的比较,对影响本系统测量精度的因素和干扰进行了详尽的分析,制定了相应的解决措施;其次,在硬件选择方面,选择性价比高的AT89C52单片机、LM324放大器、采用低压差线性电压稳压器、较高内阻的压力传感器;在软件方面,采用了功能模块化,为以后的升级或者扩展做准备。
同时采用间歇式的工作模式,非采样期间只有显示器、稳压器等处于活动状态;在保证性能要求的情况下有效的提高了器件寿命。
为了降低整个系统的成本,在满足性能要求的前提下,选择低成本元器件,简化系统设计;采用多点校准技术和线性插值方法,降低了对传感器的线性的要求,扩大了可选传感器的范围,提高了产品的通用性和可扩展性,提高了产品的竞争力,从发射探头到接收探头的那一段“敏感时间”,采用了“延时接收”的方法,进行了测试试验。
研究表明,系统运行稳定,在0.07m一5.50m的测量范围内误差小于1cm,实现了预期要求。
关键词:
倒车防撞;超声波测距;超声波;AT89C52
ABSTRACT
Withthesocialandeconomicdevelopmentandtransportationcontinuestoboom,theautomobilequantityclimbsinthefirstmate.Trafficcongestionconditionalsodaybydayserous,thecollisioneventoccurredrepeatedly,hascausedtheinevitablepersoncasualtiesandtheeconomicloss,inviewofthiskindofsituation,designedonekindtorespondquickly,thereliabilitywashighalsoamoreeconomicalautomobileguardsagainsthitstheearlywarningsystemimperative,theultrasonicwaverangefindingwasthemostcommononedistancerangefindermethod,thisarticleintroducesisguardsagainstusingtheultrasonicwaverangefindingdesignonekindofreversingcollisionavoidancesystem.
First,aparticularintroductionofthephysicalcharacteristicoftheultrasonicandcharacteristicsofultrasonicsensorsinthispaper.Combiningwiththecharacteristicsofthesubject,severalschemesofmeasurementareputforwardandfullyanalyzedintermoferror,advantageanddisadvantage.Thefactorsandinterferenceswhichwillmakeaneffectinmeasurementaccuracyareanalyzedatlargeandthesolutionisputforward.Second,Inthehardwareaspect,theAT89C52MCUwithlowcapability/priceratio,LM324amplifier,LEDmonitor,andpressuresensorwithhigherresistanceareusedtobuildthesystem,andalowlinearvoltageregulatorischosentolowerthevoltagesupplyofthewholesystem.Asforthesoftwaredesign,preparingforupdateortheexpansionlater,thedesignhasusedthesub-sequencingfunctions,accordingtothemodule'srealizationrequest.EnhancingtheToavoidthesensitivetimeinwhichultrasonictransmitfromtransmittertoreceiverdirectly,themethodofreceivinglapsedisadopted.Experimentalresultsshowthattheoperationofthesystemisstable.From0.07cmto5.50m,thesystemmeasurementerrorislessthenlcm,theresultsagreewellwithourdemands.
Keywords:
reversingcollisionavoidance;UltrasonicDistanceMeasure;ultrasonicwave;AT89C52
1绪论
1.1论文研究的背景和意义
测距的原理和方法有很多,根据信息载体的不同可分为光学方法、无线电方法和超声波方法。
随着电子技术的发展,先后出现了激光、超声波及红外线等非接触式测距方法。
激光测距虽然测距精度高,操作简单,但是受环境的影响比较大,且系统检测维护不便,价格相对昂贵,一般多在军事领域应用。
红外测距属于电磁波的一种,超声波是声波测距,实现起来更容易且不受电磁干扰影响。
红外传播速度为3×10^8m/s,超声波在空气中的传播速度为340m/s,其速度相对电磁波是非常慢的,因此在同等距离的情况下,超声波的传播时间远大于红外,往返时间更易测量。
超声波在测距方面具有以下突出的优点:
(1)环境介质可为空气、液体或固体等,适用范围广泛;
(2)对外界光线和电磁场不敏感,可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强等恶劣环境中,可以降低劳动强度;
(3)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;
由于超声波具有以上特点被广泛应用于测量物体的距离、厚度、液位等领域。
在超声波探伤、自动泊车系统和倒车雷达系统中,超声波测距有其重要的应用。
随着科学技术的发展,超声波测距技术在国防、汽车工业及日常生活中无处不在。
目前超声波测距系统主要是采用微处理器为核心,使用微处理器内部的计时器计时,并结合温度补偿声速等处理手段提高测距精度。
但由于超声波传播时间难于精确捕捉,温度对声速的影响等原因,使得超声波测距的精度受到了很大的影响,限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。
由于微处理计时精度有限和硬件设计的束缚,现有超声波测距系统在测量范围为0.2m-20m的范围内,测量误差多为mm级,20cm以下基本为系统的测量盲区。
现有超声波测距系统不仅测量范围有限制,且测量精度有限。
超声波测距仪虽然原理简单,但是由于超声波测距受到许多外界因素制约,包括所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度,环境温度等等,如何选择合适的方法提高精度是技术开发的重要瓶颈,国内外的学者在提高超声波坝J距精度方面做了大量的研究。
面对广阔的市场空间以及日益苛刻的测量要求,如何提高适用范围和测距精度就成为了当前超声波测距设备开发的关键所在。
1.2超声波测距领域的历史和国内外发展现状
一般认为,关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验,这是人类首次有效产生的高频声波。
在之后的三十年中,超声波仍然是一个鲜为人知的东西,由于当时电子技术发展缓慢,对超声波的研究造成了一定程度的影响。
在第一次世界大战中,对超声波的研究逐渐受到重视。
法国人Langevin使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。
他提出的这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并进行水下通信。
1929年,Sokolov首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建议。
相隔2年,1931年Mulhauser获准一项关于超声检测方法的德国专利,不过他并未做更多的工作。
4年之后,1934年Sokolov首次发表了关于在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果,他用了各种方法做了实验,用来检测穿过试件的超声能量,其中之一是用简单的光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹。
德国人Bergmann在他的论著《ULTRASONIC》中,详细的论述了有关超声波的大量早期资料,该论著一直被认为是该领域的经典之作。
美国的Firestone和英国的Sproule首次介绍了脉冲回波探伤仪,使超声波检测技术发展到了更重要的阶段。
在各种系统中,这是最成功的一种,因为它有最广泛的通用性,其检测结果也最容易解释。
这种方法除可用于手工检测外,还可与采用先进技术的自动系统联用,自第一种脉冲回波仪器问世以来,根据相同的原理,有无数种其他仪器得到了发展,并有许多改进和精化。
目前,在超声无损检测中,脉冲回波系统仍是使用最为广泛的一种。
HuaHong,WangYongtia阐述了其所研究的一种调幅连续超声波大范围动态测距系统。
该系统的测距原理是利用超声波传感器发射和接收调幅连续超声波,基于接收信号于发射信号之间的相位差和两传感器之间的正比关系,用相位差法测量传感器之间的动态距离。
文中给出了设计原理、硬件实施和测量结果。
实验结果表明,该系统在15m的测距精度可达到1mm。
中国测试技术研究所的李茂山在《超声波测距原理及实践技术》中阐述了用超声波在空气里传播速度为已知条件,测量超声波行进于待测距离所耗费时间的超声波测距原理。
文中分析了声波的传输特性和影响声速的因素,给出了超声波测距的框图。
作者还进行了超声波测距误差源分析以及超声波测距仪的检验。
浙江师范大学的李鸣华、余水宝利用单片机开发了一种超声波料位测量系统[。
作者介绍了超声波料位测量的原理以及超声波料位测量仪的软硬件设计,硬件设计主要分为超声波信号的产生发射电路、信号接收处理电路、AT89C2051单片机控制电路等。
作者还分析了造成料位测量误差的几点原因,并给出了几种方法来减少测量误差。
比如:
在计数电路设计中,采用了“延迟接收,信号分离”的技术和相关计数法减小了计数误差,对于声速的测量误差,使用温度补偿法,在软件设计中采用了查表的方法,由单片机实现自动补偿校正。
文中的一些方法对于设计超声波测量系统来说具有一定的参考价值。
声速的测量在超声波测距中对提高超声波精度有重要的作用,超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因素有关,其中温度的影响最大,因此需要对其进行补偿。
中国海洋大学的曹玉华在《超声波测距系统设计及其在机器人模糊避障中的应用》提出了采用温度补偿的方法测量声速,来提高超声波测距精度。
文中温度检测部分采用了美国DALLAS半导体公司生产的可组网单线数字温度传感器DS18B20测量环境温度,用以温度补偿以修正超声波速度,来减小温度变化对距离测量精度的影响。
该超声波测距装置在1.5m的测量范围内,测量误差小于5cm。
山东科技大学的王红梅在《高分辨力超声测距系统的研究》中研究了己有超声波测距系统的优缺点,采用超声波多次发射,以多次测量的平均值作为测量值的方法提高超声波测距精度,并使用了温度补偿声速的方法进一步提高了系统精度。
为了提高仪器的分辨力,还采用了若干方法来减小随机误差。
本文所设计的超声波测距系统在测量范围1cm—10cm,精度可达到0.5%,分辨率优于0.1mm。
1.3本课题的研究方法
本设计选用TCT40-16T/R超声波传感器。
了解超声波测距的原理的,只有对理论知识有一定的学习才能运用到实际操作中。
根据原理设计超声波测距仪的硬件结构电路。
对设计的电路进行分析能够产生超声波,实现超声波的发送和接收,从而实现利用超声波测距的方法测量物体之间的距离。
具体设计一个基于单片机的超声波测距器,包括单片机控制电路,发射电路,接收电路,LED显示电路。
2超声波测距的基本理论及测量方案的选择
2.1超声波的定义
波是由某一点开始的扰动所引起的,并按预定的方式传播或传输到其他点上。
声波是一种弹性机械波。
人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应,能引起人们听觉的机械波频率在20Hz-20KHz,超声波是频率大于20KHz的机械波
在超声波测距系统中,用脉冲激励超声波探头的压电晶片,使其产生机械振动,这振动在与其接触的介质中传播,便形成了超声波。
2.1.1超声波的波型
由于声源在介质中施力的方向与波在介质中传播的方向可以相同也可以不同,这就可产生不同类型的声波,超声波的波型主要有以下几种:
(1)纵波
当介质中的质点振动方向和超声波传播方向相同时,此种超声波为纵波波型,以L表示。
任何介质,当其体积发生交替变化时均产生纵波。
由于纵波的产生和接收都较容易,所以纵波在超声波检测中得到了广泛应用。
(2)横波
当介质中质点振动方向和超声波的传播方向垂直时,此种超声波为横波波型,以T表示。
因为液体和气体中缺乏横向运动的弹性力,所以横波不能存在,只有纵波才能存在,但在固体中纵波和横波都能存在。
(3)表面波
瑞利于1887年首先研究和证实了表面波的存在,因此称为瑞利波,用字母R表示。
表面波是沿着固体表面传播的具有纵波和横波双重性的波。
其振动质点的轨迹为一椭圆,质点位移的长轴垂直于传播方向,质点位移的短轴平行于传播方向,随着深度增加很快衰减,离表面一个波长以上的地方,质点振动的振幅很微弱。
表面波的传播速度,只与介质的弹性性质有关,与频率无关。
(4)板波
板波亦称拉姆波,板波只产生在大约一个波长的薄板内,在板的两表面和中部都有质点的振动,声场遍及整个板的厚度。
薄板两表面的质点振动是纵波和横波成分之和,运动轨迹为椭圆形,长轴于短轴的比例取决于材料的性质。
板波可以分为对称型和非对称型两种。
2.1.2超声波的传播速度
声波的传输需要一种媒质,声波在媒质中的传播速度,称为声速。
由声波产生的物理过程可知,声速与质点速度是完全不同的,声波的传播只是扰动形式和能量的传递,并不把在各自平衡位置附近振动的媒质点传走。
某种媒质中的声速主要取决于该媒质的密度和温度。
由于空气没有剪切弹性,只有体积弹性,因而气体中声波的传播形式只能是纵波。
也就是说,在声扰动下,气体媒质中的质点在各自平衡位置附近运动,形成稠密和稀疏依次交替的传递过程,而且质点运动的方向与声波传播的方向一致。
声波在相当大的频率范围内不随频率发生变化,也就是说超声波的传播速度与可听声波的传播速度是相同的,超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律与可听声波并无质的区别,与一般声波相比,超声波具有更好的定向性,并且可以穿透不透明物质。
在空气中超声波传播速度主要与温度有关,在空气中的传播速度C为:
C=331.4xSQRT(1+T/273)(2-1)
式中,T为环境温度。
2.1.3超声波测距的原理
超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到发射波就立即停止计时。
假设超声波在空气中的传播速度为
,根据计时器记录的时间
,发射点距障碍物的距离
,如图2-1所示
图2-1超声波测距原理
图2-1中被测距离为H,两探头中心距离的一半用M表示,超声波单程所走过的距离用
表示,由图可得:
(2-2)
(2-3)
将式(2-3)带入式(2-2)得:
(2-4)
在整个传播过程中,超声波所走过的距离为:
(2-5)
式中:
为超声波的传播速度,
为传播时间,即为超声波从发射到接收的时间。
将式(2-5)带入式(2-4)可得:
(2-6)
当被测距离H远远大于M时,式(2-6)变为:
(2-7)
这就是所谓的时间差测距法。
首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间,再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离[2]。
由于是利用超声波测距,要测量预期的距离,所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离,同时这是得到足够的回波功率的必要条件,只有得到足够的回波频率,接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。
经分析和大量实验表明,频率为40
左右的超声波在空气中传播效果最佳,同时为了处理方便,发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。
2.2超声波传感器介绍
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在阳光不透明的固体中,它可穿透几十米的深度。
超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波,碰到活动物体能产生多普勒效应。
这里介绍了超声波传感器的组成部分,性能指标,工作模式等内容。
超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。
小功率超声探头多作探测作用。
它有许多不同的结构,可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等。
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。
在压电陶瓷上加上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,便会产生超声波。
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。
压电传感器属于超声波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。
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的逆向压电效应来工作的。
超声波发生器内部结构如图2-2所示,它有两个压电晶片和一个锥形振子,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,并带动锥形振子振动,便产生超声波。
反之,如果两极间未外加电压,当锥形振子接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转化为电信号,这时它就成为超声波传感器。
一般常用的超声波传感器有两种:
专用型和兼用型。
专用型是发送器用作发送超声波,接收器用作接收超声波;兼用型就是发送器和接收器是一体的传感器,既可以发送超声波,又可以接收超声波。
本设计选用的超声波传感器是专用型,其型号为TCT40-16T和TCT40-16R,其中40表示传感器工作的中心频率为40
16表示传感器的外径为16
,T和R分别表示发射器和接收器。
图2-2压电式传感器构图
2.3方案选择的论证和选择
2.3.1设计方案一
采用单片机来控制的超声波测距仪是先由单片机产生一个信号,经过信号线,把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上,再由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:
2-8
原理图如图2-3所示。
图2-3采用单片机来控制的单片机测距仪
2.3.2方案设计二
采用CPLD来控制的超声波测距仪,主要是在软件上应用VHDL(VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage)编写程序主要使用用的是MAX+PLUXII软件进行软硬件的调试和仿真,最终实现测距功能。
使用本方案的优点在于超声波测距仪设计中采用的是MAX7000s系列中的EPM7128SLC84-15的CPLD器件,器最高频率可达175.4MHz,可以用于逻辑组合电路、时序逻辑电路、算法、双端口RAM等的设计。
充分利用了其多达128个宏单元、68Pin可编程I/O口,使该器件可以充分将分频功能、计数功能、显示编码功能、震荡功能全部集中在一起。
又因其延时平均的特点,保障了测距结果精度高、响应速度快。
缺点是方案中需要一块FPFA,一块双口RAM,还需要一块用来存储波形数据的EEPROM,那么设计的成本较高。
同时在FPGA中还要用硬件描述语言(VHDL语言)编写程序来实现硬件电路功能。
由于由于EPM7128SLC84-15的算法复杂,所以在软件实现起来编程也较复杂。
2.3.3方案设计三
采用锁相环频率合成技术,也可以实现我们所需要的超声波测距仪。
具体方案如下:
首先通过频率合成技术产生超声波所需要的频率,在通过信号线将采用锁频率相合成技术得到的频率引到超声波的发射头上,这样就可以实现超声波测距。
它的优点就是工作频率可调,也可以达到很高的频率分辨率;缺点是要求使用的滤波器通带可变,实现很困难。
它的原理如图2-4所示:
图2-4超声波原理图
2.3.4方案设计四
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。
利用超声波检测距离,设计比较方便,计算处理也较简单,并且在测量精度方面也能达到日常使用要求。
在测量精度方面也能达到日常使用要求。
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、电动型等;机械方
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