【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 返回到接收 探頭測(cè)出超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間然后根據(jù)介質(zhì)中的聲速就能算得從探頭到障礙物的距離根據(jù)所用探頭的工作方式可分為自發(fā)自收單探頭方式和一發(fā)一收雙探頭方式 單探頭方式就是探頭發(fā)出的超聲波在介質(zhì)中傳播遇到障礙物反射后返回至同一探頭而被接收如圖 23 所示探頭到障礙物的距離為 S 測(cè)距表達(dá)式為 21 式中 S為所測(cè)障礙物的距離 c為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度 t為超聲波從發(fā)送到接收所經(jīng)過(guò)的時(shí)間從上式可看出只 要已知聲速 c 就可以靠準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)間 t的方法來(lái)精確測(cè)量距離 S 圖 23 單探頭測(cè)距原理圖 雙探頭方式是一個(gè)探頭只負(fù)責(zé)發(fā)射超聲波另一個(gè)探頭只負(fù)責(zé)接受反射回來(lái)的超聲波如圖 22所示 H 為兩個(gè)探頭之間的距離聲速?gòu)奶筋^至障礙物的路徑為 D而探頭至障礙物的距離為 S 則 22 23 式中 D為聲速?gòu)奶筋^至障礙物的路徑 c為超聲波在介 質(zhì)中的傳播速度 t為超聲波從發(fā)送到接收所經(jīng)過(guò)的時(shí)間 S為探頭至障礙物的距離 H為兩個(gè)探頭之間的距離 圖 24 雙探頭反射式測(cè)距示意圖 在應(yīng)用中一般發(fā)射探頭與接收探頭之間的距離很近當(dāng)探頭與障礙物的距離較遠(yuǎn)時(shí) D 與 2S 相差很小可以忽略不計(jì)即所求的 D 就為所測(cè)探頭與障礙物之間的距離 一般來(lái)說(shuō)單探頭自發(fā)自收的工作方式是優(yōu)先考慮采用的方式這是因?yàn)榈谝粏翁筋^方式中計(jì)算距離的公式比較簡(jiǎn)單而雙探頭方式的計(jì)算公式中都須進(jìn)行一些修正第二探頭多了占地就多所用的接插件和電纜等附件的數(shù)量都增多出現(xiàn)故障的可能性也相應(yīng)增大從經(jīng)濟(jì)安裝和維修等各個(gè)角度 來(lái)看都較不利 27 測(cè)量精度的問(wèn)題 影響測(cè)量精度的因素 在測(cè)距公式中聲波在介質(zhì)中的傳播速度 c 是一個(gè)受多種因素影響的變量聲時(shí) t 是由計(jì)時(shí)電路測(cè)量得到的并隨著被測(cè)距離的改變而變化的對(duì)式 21 兩邊微分得到 24 式 24 說(shuō)明超聲波測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度是由聲時(shí)和聲速兩個(gè)參數(shù)決定的 1．聲時(shí)的影響修正 在影響聲時(shí)精度的諸多因素中計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率和超聲波的發(fā)射頻率有是兩個(gè)重要因素 1 計(jì)時(shí)電路的 計(jì)時(shí)頻率 取為常數(shù)則 24 為 25 假設(shè)計(jì)時(shí)頻率為則 24 為 26 26 表明計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率越大測(cè)試精度越高 2 超聲波頻率 超聲波傳感器收到回波信號(hào)后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出電信號(hào)接收信號(hào)的幅值隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖 32所示如果將觸發(fā)計(jì)時(shí)電路的閥值設(shè)為 A點(diǎn)所在的水平電信號(hào)那么計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)時(shí)間比接收信號(hào)的開(kāi)始時(shí)間滯后了 2 個(gè)周期在測(cè)量距離時(shí)將產(chǎn)生 1 個(gè)波長(zhǎng)的誤差即 27 式中 T 為超聲波的周期為測(cè)量距離內(nèi)將產(chǎn)生的誤差 圖 25 接收信號(hào)示意圖 所以超聲波頻率越大周期就越小傳感器的測(cè)量精度越高并且超聲波頻率高繞射能力弱擴(kuò)散角小波束細(xì)則盲區(qū)比較小但在選用超聲波換能器時(shí)還應(yīng)考慮到超聲波換能器的頻率越大傳播過(guò)程中的衰減系數(shù)越大將影響它的有效測(cè)試距離本系統(tǒng)屬于近距離測(cè)量因此選用頻率較高的 125KHz 超聲波 式 21 明超聲波測(cè)距系統(tǒng)在測(cè)量距離時(shí)必須知道超聲波在介質(zhì)中的傳播速度才能根據(jù)計(jì)時(shí)值中求出所測(cè)物體的距離超聲波的傳播速度是一個(gè)變量受多種因素影響即使在傳播介質(zhì)確定的情況下介質(zhì)溫度壓力風(fēng)力等因素的改變也將影響超聲波的傳播速度所以在超聲波測(cè)距系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中很難得到一個(gè)穩(wěn)定不變的超聲波速度因此必須對(duì)超聲波的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)校正對(duì)于在大氣中傳播的聲波而言引起聲速變化的主要原因是溫度的變化 1 溫度傳感器校正 如果傳播介質(zhì)比較穩(wěn)定而且溫度是影響傳播速度的最主要因素那么就可以采用溫度傳感器對(duì)超聲波速度進(jìn)行實(shí) 時(shí)校正 校正方法通過(guò)試驗(yàn)確定在傳播介質(zhì)中超聲波速度與溫度之間的關(guān)系曲線(xiàn)按照一定的溫度間隔得到一個(gè)溫度與速度的關(guān)系表格最后將溫度與速度的關(guān)系表存入超聲波測(cè)距系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)在實(shí)時(shí)測(cè)距時(shí)系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器獲得介質(zhì)的實(shí)時(shí)溫度然后從速度與溫度關(guān)系表格中取出對(duì)應(yīng)速度如下表 25 所示數(shù)據(jù)從而清除溫度對(duì)超聲波的影響則求出實(shí)際測(cè)試距離 表 25 超聲波的傳播速度與溫度關(guān)系 溫度℃ 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速 ms 313 319 325 333 338 344 350 388 28 提高測(cè)量 精度的措施 針對(duì)上述測(cè)量精度的影響因素采取如下措施可以提高超聲波測(cè)距傳感器的測(cè)量精度 1 提高計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率 如果選擇 1 MHz脈沖頻率則計(jì)時(shí)頻率周期可達(dá)到如果則測(cè)試精度為可見(jiàn)如果提高計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率則精度會(huì)提高 2 提高超聲波換能器的固有頻率 如果超聲波的固有頻率為 40 KHz 并假設(shè)接收信號(hào)滯后兩個(gè)周期則式 27 得測(cè)試誤差為如果超聲波的固有頻率為 125KHz 則測(cè)試誤差將縮小 3125 倍 3 超聲波的傳播速度與溫度關(guān)系 根據(jù)當(dāng)時(shí)的溫度情況對(duì)照超聲波的傳播速度與溫度關(guān)系采用適合的聲速來(lái)進(jìn)行計(jì)算 3 超 聲波導(dǎo)盲手杖系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 31 總體實(shí)現(xiàn)的功能 障礙物檢測(cè) 這是本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)最主要的功能目的是能夠?qū)γと酥車(chē)慕ㄖ蛊饻羡值日系K物進(jìn)行自動(dòng)判斷和定位同時(shí)對(duì)回波信號(hào)運(yùn)用一定的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行分析以便反映出障礙物的性質(zhì) 超聲測(cè)距 該部分是利用超聲波在空氣中傳播時(shí)遇到障礙物返回的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量距離的目的根據(jù)超聲波從發(fā)射到接收到回波的時(shí)間以及此時(shí)的聲速就可以計(jì)算出障礙物的距離由于超聲在空氣中傳播有衰減加上環(huán)境以及電路本身的噪聲干擾測(cè)量距離有一定的上限超過(guò)上限距離的障礙物的回波將無(wú)法檢測(cè) 到同時(shí)由于發(fā)射超聲波對(duì)接收超探頭的影響測(cè)量距離存在下限低于下限距離的障礙物回波將無(wú)法與干擾信號(hào)區(qū)別開(kāi)系統(tǒng)測(cè)量的就是介于上限與下限距離范圍的障礙物信息 實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果 當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出告警信號(hào) 32 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)由單片機(jī)超聲波發(fā)射接收電路液晶顯示電路及語(yǔ)音模塊等組成控制核心為單片機(jī)單片機(jī)在接收到傳感器的信息后將傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為距離信息通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)或振動(dòng)提示系統(tǒng)工作原理方框示意圖如圖 31 所示 圖 31 系統(tǒng)工作原理方框示意圖 整個(gè)系統(tǒng)包括以下幾個(gè)模塊 1CPU 模塊 2 超聲發(fā)射模 塊 該模塊包括產(chǎn)生超聲激勵(lì)脈沖的發(fā)射電路和超聲探頭由單片機(jī)控制產(chǎn)生激勵(lì)脈沖激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波 3 回波信號(hào)接收模塊 該模塊由前置比例放大電路程控放大電路和濾波電路四部分構(gòu)成回波信號(hào)經(jīng)超聲波傳感器接收后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再經(jīng)放大和濾波使信號(hào)的幅度和信噪比達(dá)到一定程度滿(mǎn)足信號(hào)處理的要求 4 電源模塊 該模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電 5 顯示模塊 該模塊主要用來(lái)鬧鐘的設(shè)定 33 系統(tǒng)總體分析 CPU 的選型 單片機(jī)在控制領(lǐng)域中具有很多優(yōu)點(diǎn)它體積小成本低運(yùn)用靈活易于產(chǎn)品化它能方便的組成各種智能化的控制設(shè)備面向控制能針對(duì)性的解決 從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種控制任務(wù)而能獲得最佳的性能價(jià)格比它抗干擾能力強(qiáng)適用范圍寬在各種惡劣的環(huán)境下都因能可靠的工作這是其它類(lèi)型計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的此外可以方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制使整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高所以我們可以利用單片機(jī)與超聲波技術(shù)的的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)成本低精確度高并且容易做到實(shí)時(shí)控制具備較強(qiáng)的實(shí)用性 本系統(tǒng)中單片機(jī)模塊由 AT89S52 單片機(jī)及其外圍電路組成是整個(gè)超聲波測(cè)距儀的核心電路 AT89S52 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 圖 32 引腳結(jié)構(gòu)圖 時(shí)鐘電路 在本系統(tǒng)中的時(shí)鐘電路我們才用外部時(shí)鐘如圖 33 所示 圖 33 晶振電路 2 復(fù)位電路 復(fù)位電路的目在需要的時(shí)候單片機(jī)復(fù)位保證正常的工作循環(huán)如圖 34 所示 圖 34 復(fù)位電路 超聲波發(fā)射電路 發(fā)射電路部分主要包括超聲波信號(hào)產(chǎn)生超聲傳感器功率驅(qū)動(dòng) 超聲波的發(fā)射頻率主要是由 C8051F040 單片機(jī)產(chǎn)生 功率驅(qū)動(dòng)電路功能是用來(lái)對(duì)超聲波換能器進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大達(dá)到足夠功率之后推動(dòng)超聲波換能器產(chǎn)生超聲波 圖 35 超聲波傳感器驅(qū)動(dòng)電路原理圖 超聲波 接收電路 超聲波會(huì)隨著傳播距離的增加而衰減經(jīng)過(guò)目標(biāo)反射回來(lái)的超聲波的回波信號(hào)弱在距離較遠(yuǎn)的情況下只達(dá)毫伏級(jí)甚至微伏因此為了加大超聲波測(cè)距系統(tǒng)的量程范圍需加以驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)電路需求接收電路的功能是將接收到的微弱信號(hào)放大并進(jìn)行濾波整形 接收電路部分主要包括限幅保護(hù)電路帶通濾波電路比較放大電路三部分電路構(gòu)成 1 限幅保護(hù)電路 因?yàn)榇颂綔y(cè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電壓較高為了防止放大器過(guò)載限制高電平振幅同時(shí)也可以消除寄生調(diào)幅干擾因此有必要對(duì)回波信號(hào)先進(jìn)行限幅保護(hù)本系統(tǒng)采用一對(duì)穩(wěn)壓二極管 IN4148 構(gòu)成雙向限幅保護(hù)電路 圖 36 限幅保 護(hù)電路 2 帶通濾波電路 超聲波回波信號(hào)非常弱一般為幾個(gè)毫伏并且會(huì)接收到干擾信號(hào)因此信號(hào)濾波電路是回波接收的關(guān)鍵電路本文采用單個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成二階有源帶通濾波電路由運(yùn)算放大器 LM837和 RC阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的如圖所示其輸出與輸入同相當(dāng) R1 R3 R4 RR2 2RC1 C2 C 時(shí)濾波器的諧振頻率為 31 品質(zhì)因數(shù)為 32 諧振增益為 33 圖 37 帶通濾波電路 在本系統(tǒng)中發(fā)射頻率為 125khz 品質(zhì)因數(shù)值越大頻帶越窄選頻特性越好但是值取得過(guò)大會(huì)使輸入信號(hào)嚴(yán)重衰減綜合考慮后取 4 則可先選定電容 80pF 由以上三式得 R1 R3 R4 16 R2 32 28 諧振增益 11 3 回波放大電路 采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路具有放大倍數(shù)高輸入電阻高輸出電阻低的特點(diǎn)是一種直接耦合式放大電路這種電路比較簡(jiǎn)單放大倍數(shù)容易調(diào)整 圖 38 接收電路原理圖 本系統(tǒng) 設(shè)計(jì)時(shí)選擇了各項(xiàng)性能優(yōu)越的 LM387 作為放大器能充分滿(mǎn)足放大的要求可雙電源供電本系統(tǒng)考慮到電源的問(wèn)題采用單電源供電因此設(shè)計(jì)了電壓跟隨器提供 4V 的基準(zhǔn)電壓可以有效防止干擾由于回波信號(hào)非常弱一般為毫伏級(jí)因此由 LM387構(gòu)成了三級(jí)放大電路每一級(jí)放大 10倍共放大 1000倍左右完全能夠滿(mǎn)足要求并且三級(jí)放大可選可以根據(jù)測(cè)距的遠(yuǎn)近選擇合適的放大倍數(shù) 告警模塊設(shè)計(jì) 考慮到產(chǎn)品的使用人群為盲人因此采用的是振動(dòng)或語(yǔ)音告警形式 ISD1420 語(yǔ)音錄放電路 1ISD1420 芯片特點(diǎn) ①使用方便的單片 8 至 20 秒語(yǔ) 音錄放 ②高質(zhì)量自然的語(yǔ)音還原技術(shù) ③邊沿電平觸發(fā)放音 ④自動(dòng)節(jié)電維持電流 05uA ⑤不耗電信息保存 100 年 典型值 ⑥ 100000 次錄音周期典型值 ⑦多段信息處理可分 1 至 80160 段 ⑧片內(nèi)免調(diào)整時(shí)鐘可選用外部時(shí)鐘 ⑨無(wú)需開(kāi)發(fā)系統(tǒng) ⑩ 5V 單電源工作 語(yǔ)音電路圖 34 超聲波導(dǎo)盲手杖的軟件設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲測(cè)距的基本功能之后系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是針對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理 1 單片機(jī) C 語(yǔ)言 C 語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言它的特點(diǎn)就是可以 盡量減少你對(duì)硬件進(jìn)行操作具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性功能性和可移植性常常被用來(lái)作為單片機(jī)系統(tǒng)的編程語(yǔ)言但是用于單片機(jī)的 C語(yǔ)言和標(biāo)準(zhǔn) C語(yǔ)言區(qū)別很大如何結(jié)合單片機(jī)的系統(tǒng)資源用 C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)符合實(shí)際工程需要的單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)編程者來(lái)說(shuō)具有十分重要的意義 用 C 編寫(xiě)程序比匯編更符合人們的思考習(xí)慣開(kāi)發(fā)者可以擺脫與硬件無(wú)必要的接觸更專(zhuān)心的考慮功能和算法而不是考慮一些細(xì)節(jié)問(wèn)題這樣就減少了開(kāi)發(fā)和調(diào)試的時(shí)間 C語(yǔ)言具有良好的程序結(jié)構(gòu)適用于模塊化程序設(shè)計(jì)因此采用 C語(yǔ)言設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序時(shí)首先要盡可能地采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法將功能模塊化由不同的模 塊完成不同的功能這樣可使整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)清晰易于調(diào)試和維護(hù)不同的功能模塊分別指定相應(yīng)的入口參數(shù)和出口參數(shù)對(duì)于一些要重復(fù)調(diào)用的程序一般把其編成函數(shù)這樣可以減少程序代碼的長(zhǎng)度又便于整個(gè)程序的管理還可增強(qiáng)可讀性和移植性 應(yīng)用 C 語(yǔ)言的優(yōu)越性 1 不懂得單片機(jī)的指令集也能夠編寫(xiě)完美的單片機(jī)程序 2 無(wú)須懂得單片機(jī)的具體硬件也能夠編出符合硬件實(shí)際的專(zhuān)業(yè)水平的程序 3 不同函數(shù)的數(shù)據(jù)實(shí)行覆蓋有效利用片上有限的 RAM 空間 4 程序具有堅(jiān)固性 數(shù)據(jù)被破壞是導(dǎo)致程序運(yùn)行