【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 度變化，可通過(guò)溫度傳感器自動(dòng)探測(cè)環(huán)境溫度確定計(jì)算距離時(shí)的波速 v，較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過(guò)的路程，提高了測(cè)量精確度。波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。 單片機(jī)發(fā)出短暫的 40kHz 信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此信號(hào)鎖定， 產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，得出時(shí)間，再由系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至 LCD 顯示電路進(jìn)行顯示。 同時(shí)判斷如果測(cè)得的距離小于 1m 時(shí)，通知報(bào)警器報(bào)警，并把測(cè)距記錄存入 E2PROM 存儲(chǔ)，供隨時(shí)查看測(cè)距記錄 常見(jiàn) 測(cè)距法 目前最常用 測(cè)距法有兩種 : （ 1） 超聲波測(cè)距法 :超聲波是頻率 20kHz 以上的機(jī)械振動(dòng)波，利用發(fā)射脈沖和接收脈沖的時(shí)間間隔推算出距離。超聲波測(cè)距法的缺點(diǎn)是波束較寬，其分辨力受到嚴(yán)重的限制，因此，主要用于導(dǎo)航和回避障礙物。 （ 2）激光測(cè)距法 [18]:激光測(cè)距法也可以利 用回波法，或者利用激光測(cè)距儀，其 第 7 頁(yè) 共 42 頁(yè) 工作原理如下 :氦氖激光器固定在基線上，在基線的一端由反射鏡將激光點(diǎn)射向被測(cè)物體，反射鏡固定在電動(dòng)機(jī)軸上，電動(dòng)機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，使激光點(diǎn)穩(wěn)定地對(duì)被測(cè)目標(biāo)掃描。由 CCD(電荷耦合器件 )攝像機(jī)接受反射光，采用圖像處理的方法檢測(cè)出激光點(diǎn)圖像，并根據(jù)位置坐標(biāo)及攝像機(jī)光學(xué)特點(diǎn)計(jì)算出激光反射角。利用三角測(cè)距原理即可算出反射點(diǎn)的位置。 我們選用超聲波測(cè)距法，這樣會(huì)使成本降低。 超聲波傳感器 超聲波傳感器的原理及結(jié)構(gòu) 超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或 是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件 [19]。目前常用的超聲傳感器有兩大類(lèi)，即電聲型與流體動(dòng)力型。電聲型主要有： 1. 壓電傳感器； 2. 磁致伸縮傳感器； 3. 靜電傳感器。流體動(dòng)力型中包括有氣體與液體兩種類(lèi)型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱(chēng)也有不同，例如在超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱(chēng)作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱(chēng)為“哨”或“笛”。 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測(cè)中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能 相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測(cè)裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類(lèi)。屬于晶體的如石英、鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇等。其具有下列的特性：把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用 于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有 第 8 頁(yè) 共 42 頁(yè) 大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說(shuō)，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 f 的交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。 如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號(hào)。 雙壓電晶片由 A、 B 兩部分構(gòu)成。當(dāng)在 AB 間施加交流電壓時(shí)，若 A 片的電場(chǎng)方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動(dòng)。 壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率 f。發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常 方便的改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。 超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對(duì)壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。 系統(tǒng)主要參數(shù)的確定 測(cè)距儀的工作頻率 傳感器的工作頻率是測(cè)距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損失、障礙物反射 損失、背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。工作頻率的確定主要基于以下幾點(diǎn)考慮： （ 1）如果測(cè)距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對(duì)增加，由于介質(zhì)對(duì)聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。 （ 2） 工作頻率越高，對(duì)相同尺寸的換 能器來(lái)說(shuō)，傳感器的方向性越尖銳，測(cè)量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn)，而且波長(zhǎng)短，尺寸分辨率高，“細(xì)節(jié)”容易辨識(shí)清楚，因此從測(cè)量復(fù)雜障礙物表面和測(cè)量精度來(lái)看，工作頻率要求提高。 第 9 頁(yè) 共 42 頁(yè) （ 3）從傳感器設(shè)計(jì)角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。 綜上所述， 由于本測(cè)距儀最大測(cè)量量程不大，因而選擇測(cè)距儀工作頻率在 40KHz。這樣傳感器方向性尖銳，且避開(kāi)了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對(duì)低頻有所增加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來(lái)困難。 聲速 聲速的精確程度線性的決定了測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度。傳播介質(zhì)中聲波的傳播速度隨溫度、雜質(zhì)含量和介質(zhì)壓力的變化而變化。 聲速隨溫度變化公式為 V=＋ (mm/ms)式中 [20]， T 是溫度。由于該測(cè)距系統(tǒng)用于室內(nèi)測(cè)量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計(jì)算出為 340 m/s。 發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射脈沖寬度決定了測(cè)距儀的測(cè)量盲區(qū)，也影響測(cè)量精度，同時(shí)與信號(hào)的發(fā)射能量有關(guān)。根據(jù)資料，減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測(cè)量精度，減小測(cè)量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對(duì)接收回波不利。但是根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，過(guò)寬的脈沖寬度會(huì)增加測(cè)量盲區(qū)，對(duì)接收回波及比較電路都造成一定困難。 在具體設(shè)計(jì)中，比較了 24μ s (1 個(gè) 40KHz 脈沖方波 )， 48μ s( 2 個(gè) 40KHz 脈沖方波 )， 240μ s (10 個(gè) 40KHz 脈沖方波 )，作為發(fā)射信號(hào)后的接收信號(hào)，最終選用 48μ s (2 個(gè) 40KHz 脈沖方波 )的發(fā)射脈沖寬度。此時(shí)，從接收回波信號(hào)幅度和測(cè)量盲區(qū)兩個(gè)方面來(lái)衡量比較適中。 測(cè)量盲區(qū) 在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵(lì)傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會(huì)降低，甚至沒(méi)有放大作用，這種現(xiàn)象稱(chēng)為阻塞。不同的檢測(cè)儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)會(huì)使結(jié)果偏低，有時(shí)甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問(wèn)題，在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍 內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱(chēng)為盲區(qū)。具體分析如下： 第 10 頁(yè) 共 42 頁(yè) 當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號(hào)雖然只維持一個(gè)極短時(shí)間，但停止施加發(fā)射信號(hào)后，探頭上還存在一定余振（由于機(jī)械慣性作用）。因此，在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號(hào)幅值仍具一定幅值高度，可以達(dá)到限幅電路的限幅電平VM ；另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號(hào)卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小，即使是離探頭較近的表面反射回來(lái)的信號(hào)，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。當(dāng)反射面離探頭愈來(lái)愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號(hào)相隔時(shí)間愈來(lái)愈長(zhǎng)，其幅值也愈來(lái)愈小。在超聲波檢測(cè)中，接收 信號(hào)的衰減總是比發(fā)射信號(hào)余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號(hào)幅值需達(dá)到規(guī)定的閾值 VM ，亦即接收信號(hào)的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號(hào)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案： 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求： （ 1）能夠連續(xù)測(cè)量，保存測(cè)量數(shù)據(jù)，并用液晶屏 1602 顯示距離值； （ 2） 測(cè)量范圍在 —5m； （ 3） 能根據(jù)距離長(zhǎng)短發(fā)出不同頻率的聲音 ，具有 語(yǔ)音播報(bào)功能。 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下： 單 片 機(jī)外 部 中 斷超 聲 波 模 塊定 時(shí) 器時(shí) 鐘 模 塊E 2 P R O M蜂 鳴 器顯 示 模 塊發(fā) 射 信 號(hào)接 收 信 號(hào) 圖 超聲波測(cè)距儀原理框圖 系統(tǒng)設(shè)置有兩個(gè)工 作模式，通過(guò)一個(gè)外部中斷開(kāi)關(guān)選擇工作模式 模式 0：正常的測(cè)距工作模式 模式 1：遍歷顯示 E2PROM 中存儲(chǔ)的測(cè)距記錄信息 第 11 頁(yè) 共 42 頁(yè) 3 超聲波測(cè)距儀的硬件設(shè)計(jì) 硬件模塊選型 處理器 選型 （ STC89C52） 在這里，我才用的深圳宏晶科技生產(chǎn)的 STC89C52RC 單片機(jī) [21]。 STC89C52 單片機(jī)簡(jiǎn)介 : STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 看門(mén)狗定時(shí)器 ，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810 復(fù)位電路，三個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一 個(gè) 6 向量2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外 STC89X52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2 種 軟件 可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率 35Mhz，6T/12T 可選。 由于本系統(tǒng)是一個(gè)小的嵌入式系統(tǒng)，對(duì)處理器性能方面要 求不是很高；因此就得考慮系統(tǒng)的節(jié)能、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定等方面因素來(lái)選擇適合的 SCM。在做嵌入式控制方面的處理器主要是單片機(jī)和 ARM 系列處理器，但對(duì)比兩個(gè)系列， ARM處理器雖然指令更多， 資源更豐富，功能更強(qiáng)； 但是更耗能， 操作更復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度更大，在此系統(tǒng)中單片機(jī)就能滿(mǎn)足性能要求，且節(jié)能，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 ；故選擇單片機(jī)。 第 12 頁(yè) 共 42 頁(yè) 在諸多的單片機(jī)中，我們由選擇哪款呢？這還的根據(jù)節(jié)能、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性能滿(mǎn)足要求、可擴(kuò)展性強(qiáng)等原則進(jìn)行選型。 在諸多單片機(jī)中， 51 單片機(jī)資源比較少，因此我們選擇資源更豐富的 52 單片機(jī)； STC89C52 和 atmel89c52 對(duì)比 ： STC89C52RC 單片機(jī) : 8K 字節(jié)程序存儲(chǔ)空間； 512 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；內(nèi)帶 4K 字節(jié) EEPROM 存儲(chǔ)空間 。可直接使用串口下載 。 AT89S52 單片機(jī) : 8K 字節(jié)程序存儲(chǔ)空間； 256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間； 沒(méi)有內(nèi)帶 EEPROM 存儲(chǔ)空間 。不能直接使用串口下載。 可見(jiàn) STC89C52 資源更豐富，可寬展性更強(qiáng)， 成本更低；故選擇 STC89C52。 超聲波模塊 選型 （ HCSR04） 現(xiàn)在市場(chǎng)上各種各樣的超聲波模塊很多，有專(zhuān)門(mén)的發(fā)射、接收模塊，有既能發(fā)射又能接收的，本設(shè)計(jì)是測(cè)距系統(tǒng)，應(yīng) 采用反射波的模塊，由于市場(chǎng)上已經(jīng)很便宜了，故沒(méi)有自己搭超聲模塊的必要。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在市場(chǎng)上采購(gòu)能符合要求的模塊就行。 這里采用的 HCSR04, 本模塊 價(jià)格便宜， 性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確。能和國(guó)外的 SRF05,SRF02 等超聲波測(cè)距模塊相媲美。模塊高精度，盲區(qū)（ 2cm）近 ,能穩(wěn)定的測(cè)距 [22]。 產(chǎn)品特點(diǎn)： HCSR04 超聲波測(cè)距模塊可提供 2cm400cm 的非接觸式距離感測(cè)功能， 測(cè)距精度可達(dá)高到 3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。 模塊工作原理： （ 1） 采用 IO 觸發(fā)測(cè)距，給至少 10us 的高電平信號(hào) 。 （ 2） 模塊自動(dòng)發(fā)送 8 個(gè) 40khz 的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回； （ 3） 有信號(hào)返回，通過(guò) IO 輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間； 測(cè)試距離 =(高電平時(shí)間 *聲速 (340M/S))/2。 （ 1） 實(shí)物圖 ： 第 13 頁(yè) 共 42 頁(yè) 圖 HCSR04實(shí)物圖 上圖接線： VCC 供 5v 電源， GND 為地線 ， TRIG 觸發(fā)控制 信號(hào)輸入， ECHO 回響信號(hào)輸出線。 電氣參數(shù) ： 表 HRSR04電氣參數(shù)表 電 氣 參 數(shù) HCSR04 超 聲 波 模塊 工作電壓 DC 5 V 工作電流 15mA 工作頻率 40Hz 最遠(yuǎn)射程 4m 最近射程 2cm 測(cè)量角度 15 度 輸入觸發(fā)信號(hào) 10