【文章內(nèi)容簡介】 接收的時間。超聲波在空氣中的傳播速度為 : 00c c T T?? , 其中 T為絕對溫度數(shù)值 , 0 ? , 0 m s? 。在測量精度不是很高的情況下 , 一般可以認為 c 為常數(shù) 340m/s。由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度 ； 超聲波反射回波又很難精確捕捉 ,致使超聲波 在空氣中傳播的時間很難精確測量。這些因素是使用超聲測距引起誤差的原因。 超聲波測距誤差分析 根據(jù)超聲波測距公式 L=c t/2，可知測距的誤差是由超聲波的 溫度誤差、 傳播速度誤差 和 測量距離傳播的時間誤差引起的。 溫度誤差 由于超聲波也是一種聲波。其聲速 C與溫度有關(guān)。表 1列出了幾種不同溫度下的聲速 表 1聲速與溫度關(guān)系 溫度 (℃ ) － 30 － 20 － 10 0 10 20 30 100 聲速 (米／秒 ) 313 319 325 323 338 344 349 386 這是超聲波的溫度效應(yīng)特性， 超聲波的傳播速度“ C” 可以用公式 (2)表示： C＝ ＋ （ m/s） ,式中 t=溫度（℃）。因此要精確測量與某個物體之間的距離時，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ? 時間誤差 當要求測距誤差小于 1mm時，假設(shè)已知超聲波速度 C=344m/s (20℃ 室溫 )，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差 s△ t() ≈ 即 。 在超聲波的傳播速度是準確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于 1mm的誤差。使用的 12MHz晶體作時鐘基準的 89C51單片機定時器能方便的計數(shù)到 1μs 的精度，因此系統(tǒng)采用 89S51定時器能保證時間誤差在 1mm的測量范圍 7 內(nèi)。 對于超聲波測距精度要求達到 1MM時，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進去。例 如當溫度 0℃ 時超聲波速度是 332m/s, 30℃ 時是 350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在 30℃ 的環(huán)境下以 0℃ 的聲速測量 100M距離所引起的測量誤差將達到 5M，測量 1M誤差將達到 5MM。 超聲波遇到障礙物后，一部分會反來，那么，通過計算發(fā)射出超聲波到接收到回波之間的時 差，還有音速，就能算出障礙物的距離。 2． 6 影響超聲波探測的因素 圖 3 超聲波差距示意圖 在圖 3中，用一個超聲波傳感器來發(fā)射超聲波，同時它又可以接收到回波。一般使用的超聲波頻率為 40KHZ。根據(jù)以上原理，所算出的障礙物距離都是指障礙物到傳感器的距離。 傳感器可檢查到的角度： 傳感器發(fā)射超聲波有一定的角度范圍，圖 4，圖 5為常用傳感器的探測角度 : 圖 4 水平探測角度 8 圖 5 垂直探測角度 以上菱形區(qū)域是發(fā)射超聲波的覆蓋區(qū)，而覆蓋區(qū)內(nèi)的障礙物能否被探測到，則與以下因素有關(guān) (見圖 6示 ): 1） 從物理方 面的反射原理可知 :超聲波的反射規(guī)律為反射角等于入射角，因此，反射波是否能被傳感器捕捉，與反射面的角度有關(guān)。 2） 反射面的大小不同，也會影響反射波的強度。 3） 另外，障礙物會吸收掉一部分超聲波，反射回去的只是其中一部分，而吸收多少，反射又是多少，則與障礙物的材質(zhì)和表面處理相關(guān)。疏松、多孔的表面較易吸收音波而導致反射效率較低，不易被偵測。 4） 超聲波在空氣中傳輸時也會衰減，所以同一個反射面，同樣的角度，距離越遠，發(fā)射和反射的超聲波衰減越大，越不易被測到。 5） 以上幾點簡單的說，就是 :角度、大小、表面材質(zhì) 和距離。這些因素綜合起來，決定障礙物是否會被探測到。 圖 6 超聲波探測障礙物 根據(jù)以上原理可知，在下列環(huán)境下，易造成無法偵測及偵測不良之情況！ 1）鐵絲網(wǎng)，繩索類細小物體。 2）草地行車或崎嶇不平路面。 9 3）棉質(zhì)或表面易吸收聲波之物質(zhì)。 4）傳感器表面附著異物。 5）同頻率 (40 KHz)之超聲波雜音加金屬聲，高壓氣體排放聲，汽車喇叭正對傳感器鳴叫時。 6）障礙物為銳角反射體，錐狀物體。 2． 7 如何提醒車主 倒車雷達在上圖所示偵測區(qū)內(nèi)檢測到有效障礙物時， LED及系統(tǒng)內(nèi)的蜂鳴器會根據(jù)障礙物的距 離發(fā)出警告聲和不同的顯示方式。分為三段 ( 如表 2) 這樣，用戶可以很清楚的判斷出障礙物的大概距離。 表 2倒車雷達左中 / 右中傳感器提示方式 : 障礙距離 LED與蜂鳴器響應(yīng)方式 A段 150~100CM 對應(yīng)方位的指示燈亮、蜂鳴器以相應(yīng)的頻率叫聲為提示 B段 100~50CM 對應(yīng)方位的指示燈亮、蜂鳴器以不同頻率的叫聲提示 C段 50CM以內(nèi) 對應(yīng)方位指示燈全亮，并伴有閃爍以警告用戶、蜂鳴器長鳴 基于 CX20216A 超聲波測距的調(diào)試 CX20216A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電 視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38KHz 與測距 的 超聲波頻率 40KHz 較為接近， 所以把它用于 超聲波檢測 接收 電路。實驗證明 用 CX20216A 接收超聲波，具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。當超聲波接收頭接收到 40KHz 方波信號時，將會將此信號通過 CX20216A 驅(qū)動放大送入單片機的外部中斷 0 口。單片機在得到外部中斷 0 的中斷請求后，會轉(zhuǎn)入外部中斷 0 的中斷服務(wù)程序進行處理，在移動機器人的避障工作中，可以在中斷服務(wù)程序設(shè)定需要單片機處理的最短距離，比如 。對于距離大于 m 的障 礙物，可以不做處理直接跳出中斷服務(wù)程序 [11]。 3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計 10 3． 1 倒車雷達的工作原理圖 圖 7 測距工作原理 以單片機作為主控電路元件，以 12MHZ晶振作為標準脈沖振蕩電路元件，通過軟件編程實現(xiàn) 40KHZ方波的產(chǎn)生，經(jīng)過放大驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭產(chǎn)生諧振，發(fā)射超聲波信號，同時單片機開中斷并開始計時，超聲波信號遇到障礙物后反射回來被超聲波接收探頭接收，經(jīng)過整形濾波及放大驅(qū)動音頻譯碼器 LM567，鎖相后，該芯片 8 腳變?yōu)榈碗娖浇釉?INT1上，關(guān)中斷，計時結(jié)束，根據(jù)超聲波測距原理： L=ct/2，調(diào)用測 距子程序，計算距離。除了設(shè)計主測距電路外還需設(shè)計好電源部分、聲光報警部分，及其接口部分，以便很好的與上位機通訊，進行實時控制。 發(fā)送的脈沖選用 40KHZ的方波，這是由探頭本身的中心頻率和其頻率特性決定的，如圖 3所示：在 40KHZ頻率時，超聲波探頭的輸出聲壓和靈敏度值最大。 11 超聲波系統(tǒng)主流程圖 圖 8主程序流程圖 圖 9 按鍵中斷處理流程圖 超聲波硬件設(shè)計與軟件編程 綜合考慮，控制模塊采用單片機 AT89S51控制；發(fā)射模塊采用反向器 74LS04；接收模塊采 用 CX20216A；顯示模塊采用液晶顯示器 LED 顯示；報警模塊采用蜂鳴器。 其系統(tǒng)框圖如圖 10 所示。 單片機 AT89S51 發(fā)送模塊 接收模塊 LED 顯示 報警 12 圖 10 超聲波系統(tǒng)框圖 復位電路 單片機外圍需要一個復位電路，復位電路的功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤消復位信號。該設(shè)計采用含有電阻的復位電路，復位電路可以有效的解決電源毛刺和電源緩慢下降（電池電壓不足）等引起的問題，在電 源電壓瞬間下降時可以使電容迅速放電，一定寬度的電源毛刺也可令系統(tǒng)可靠復位。復位電路的設(shè)計圖如圖 11所示： 圖 11 復位電路 顯示電路 顯示電路采用的是共陽極 8位數(shù)碼管，該顯示器與驅(qū)動電路相連用于控制 LED的顯示。為使LED顯示，只需在 S1， S2， S3， S4依次置為低電平信號，再給 LED延時一段很小的時間，使數(shù)碼管分別顯示，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，數(shù)碼管就像同時顯示一樣。 LED顯示電路的電路圖如圖 12所示。 13 圖 12 LED 顯示電路 超聲波發(fā)送與接收模塊 （ 1）主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器 T0工作模式為 16位定時計數(shù)器模式，設(shè)置總中斷允許為 EA，顯示器接 P0口， P2 接蜂鳴器。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲 秒后（這是測距器會有一個最小可測距的原因），才打開外中斷 0 接受返回的超聲波 信號。由于采用 12MHZ 的晶振，機器周期為 1us，當主程序檢測到接受成功的標志位后，將計數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間），按下式計算即可得到被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計時取聲速為 ,則 S=(V*T0)/2(V為聲速， T0 為聲波來回傳輸?shù)臅r間 )。然后再用超聲波脈沖重復測量。 （ 2）超聲波發(fā)送子程序和超聲波接收中斷程序。超聲波發(fā)送子程序是通過 端口發(fā)送 4 個左右的超聲波信號頻率約為 40KHZ 的方波，同時把計數(shù)器 T0 打開并進行計時。超聲波測距離主程序利用外部中斷 0 檢測返回超聲波 信號，一旦接受到返回超聲波信號（ INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入中斷程序后就立即關(guān)閉