基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)論文(編輯修改稿)
2025-07-24 19:46 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的傳播速度是用頻率乘以波長(zhǎng)來(lái)表示。電磁波的傳播速度是3108m/s，而聲波在空氣中的傳播速度很慢，約為344m/s (20℃時(shí))。在這種比較低的傳播速度下，波長(zhǎng)很短，這就意味著可以獲得較高的距離和方向分辨率。正是由于這種較高的分辨率特性，才使我們有可能在進(jìn)行測(cè)量時(shí)獲得很高的精確度。2． 反射要探測(cè)某個(gè)物體是否存在，超聲波就能夠在該物體上得到反射。由于金屬、木材、混凝土、玻璃、橡膠和紙等可以反射近乎100％的超聲波，因此我們可以很容易地發(fā)現(xiàn)這些物體。由于布、棉花、絨毛等可以吸收超聲波，因此很難利用超聲波探測(cè)到它們。同時(shí)，由于不規(guī)則反射，通?？赡芎茈y探測(cè)到凹凸表面以及斜坡表面的物體，這些因素決定了超聲波的理想測(cè)試環(huán)境是在空曠的場(chǎng)所，并且測(cè)試物體必須反射超聲波。3． 溫度效應(yīng)聲波傳播的速度“c”可以用下列公式表示。c=+ (m/s) 式中，t=溫度 (℃)也就是說(shuō)，聲音傳播速度隨周?chē)鷾囟鹊淖兓兴煌?。因此，要精確的測(cè)量與某個(gè)物體之間的距離時(shí)，始終檢查周?chē)鷾囟仁鞘直匾模绕涠臼覂?nèi)外溫差較大，對(duì)超聲波測(cè)距的精度影響很大，此時(shí)可用18B20作溫度補(bǔ)償來(lái)減小溫度變化所帶來(lái)的測(cè)量誤差，考慮到本設(shè)計(jì)的測(cè)試環(huán)境是在室內(nèi)，而且超聲波主要是用于測(cè)距功能，對(duì)測(cè)量精度要求不高，所以關(guān)于溫度效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響問(wèn)題在這里不做深入的探討。4. 衰減傳播到空氣中的超聲波強(qiáng)度隨距離的變化成比例地減弱，這是因?yàn)檠苌洮F(xiàn)象所導(dǎo)致的在球形表面上的擴(kuò)散損失，也是因?yàn)榻橘|(zhì)吸收能量產(chǎn)生的吸收損失。如圖8所示，超聲波的頻率越高，衰減率就越高，超聲波的傳播距離也就越短，由此可見(jiàn)超聲波的衰減特性直接影響了超聲波傳感器有效距離。圖8 聲壓在不同距離下的衰減特性5．聲壓特性聲壓級(jí) (.) 是表示音量的單位，利用下列公式予以表示。.= 20logP/Pre (dB)式中,“P”為有效聲壓 (μbar)，“Pre”為參考聲壓 (2104μbar)如圖6所示為幾種常用超聲波傳感器的聲壓圖。圖9 超聲波傳感器的聲壓圖6．靈敏度特性靈敏度是表示聲音接收級(jí)的單位，使用下列公式予以表示。靈敏度= 20log E/P (dB)式中,“E”為所產(chǎn)生的電壓 (Vrms)，“P”為輸入聲壓(μbar)。超聲波傳感器的靈敏度直接影響著系統(tǒng)測(cè)距范圍，如圖7所示為幾種中常見(jiàn)超聲波傳感器的靈敏度圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)40KHz時(shí)傳感器的聲壓級(jí)最高，也就是說(shuō)40KHz時(shí)所對(duì)應(yīng)的靈敏度最高。圖10 超聲波傳感器靈敏度示意圖7．輻射特性把超聲波傳感器安裝在臺(tái)面上。然后，測(cè)量角度與聲壓 (靈敏度) 之間的關(guān)系。為了準(zhǔn)確地表達(dá)輻射，與前部相對(duì)比，聲壓 (靈敏度) 級(jí)衰減6dB的角度被稱(chēng)為半衰減角度，用θ1/2表示。超聲波設(shè)備的外表面尺寸較小易于獲得精確的輻射角度。如圖11所示為幾種常見(jiàn)超聲波傳感器的輻射特性示意圖。圖11 超聲波傳感器輻射特性示意圖分析以上研究結(jié)果不難看出超聲波傳感器工作在40KHz范圍內(nèi)具有最大的聲壓級(jí)和最高的靈敏度。 測(cè)距分析超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過(guò)程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。如圖12所示： 超聲波發(fā)射 障礙物 S H θ超聲波接收?qǐng)D12 超聲波的測(cè)距原理 （31） （32）式中:L兩探頭之間中心距離的一半.又知道超聲波傳播的距離為: ( 33)式中:v—超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。 t—超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間.將（3—2）、（3—3）代入（31）中得： ( 34)其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個(gè)常數(shù)(例如在溫度T=30度時(shí),V=349m/s)。當(dāng)需要測(cè)量的距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L時(shí),則(3—4)變?yōu)? ( 35) 所以,
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