【文章內(nèi)容簡介】 返回到接收 探頭測出超聲波從發(fā)射到接收所需的時間然后根據(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 測距表達式為 21 式中 S為所測障礙物的距離 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)過的時間從上式可看出只 要已知聲速 c 就可以靠準確測量時間 t的方法來精確測量距離 S 圖 23 單探頭測距原理圖 雙探頭方式是一個探頭只負責發(fā)射超聲波另一個探頭只負責接受反射回來的超聲波如圖 22所示 H 為兩個探頭之間的距離聲速從探頭至障礙物的路徑為 D而探頭至障礙物的距離為 S 則 22 23 式中 D為聲速從探頭至障礙物的路徑 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)過的時間 S為探頭至障礙物的距離 H為兩個探頭之間的距離 圖 24 雙探頭反射式測距示意圖 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探頭與障礙物的距離較遠時 D 與 2S 相差很小可以忽略不計即所求的 D 就為所測探頭與障礙物之間的距離 一般來說單探頭自發(fā)自收的工作方式是優(yōu)先考慮采用的方式這是因為第一單探頭方式中計算距離的公式比較簡單而雙探頭方式的計算公式中都須進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)濟安裝和維修等各個角度 來看都較不利 27 測量精度的問題 影響測量精度的因素 在測距公式中聲波在介質(zhì)中的傳播速度 c 是一個受多種因素影響的變量聲時 t 是由計時電路測量得到的并隨著被測距離的改變而變化的對式 21 兩邊微分得到 24 式 24 說明超聲波測距系統(tǒng)的測量精度是由聲時和聲速兩個參數(shù)決定的 1．聲時的影響修正 在影響聲時精度的諸多因素中計時電路的計時頻率和超聲波的發(fā)射頻率有是兩個重要因素 1 計時電路的 計時頻率 取為常數(shù)則 24 為 25 假設(shè)計時頻率為則 24 為 26 26 表明計時電路的計時頻率越大測試精度越高 2 超聲波頻率 超聲波傳感器收到回波信號后轉(zhuǎn)換為電信號輸出電信號接收信號的幅值隨時間的變化規(guī)律如圖 32所示如果將觸發(fā)計時電路的閥值設(shè)為 A點所在的水平電信號那么計時電路的計時時間比接收信號的開始時間滯后了 2 個周期在測量距離時將產(chǎn)生 1 個波長的誤差即 27 式中 T 為超聲波的周期為測量距離內(nèi)將產(chǎn)生的誤差 圖 25 接收信號示意圖 所以超聲波頻率越大周期就越小傳感器的測量精度越高并且超聲波頻率高繞射能力弱擴散角小波束細則盲區(qū)比較小但在選用超聲波換能器時還應(yīng)考慮到超聲波換能器的頻率越大傳播過程中的衰減系數(shù)越大將影響它的有效測試距離本系統(tǒng)屬于近距離測量因此選用頻率較高的 125KHz 超聲波 式 21 明超聲波測距系統(tǒng)在測量距離時必須知道超聲波在介質(zhì)中的傳播速度才能根據(jù)計時值中求出所測物體的距離超聲波的傳播速度是一個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距系統(tǒng)的實際應(yīng)用中很難得到一個穩(wěn)定不變的超聲波速度因此必須對超聲波的速度進行實時校正對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超聲波速度進行實 時校正 校正方法通過試驗確定在傳播介質(zhì)中超聲波速度與溫度之間的關(guān)系曲線按照一定的溫度間隔得到一個溫度與速度的關(guān)系表格最后將溫度與速度的關(guān)系表存入超聲波測距系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)在實時測距時系統(tǒng)通過溫度傳感器獲得介質(zhì)的實時溫度然后從速度與溫度關(guān)系表格中取出對應(yīng)速度如下表 25 所示數(shù)據(jù)從而清除溫度對超聲波的影響則求出實際測試距離 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 提高測量 精度的措施 針對上述測量精度的影響因素采取如下措施可以提高超聲波測距傳感器的測量精度 1 提高計時電路的計時頻率 如果選擇 1 MHz脈沖頻率則計時頻率周期可達到如果則測試精度為可見如果提高計時電路的計時頻率則精度會提高 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)接收信號滯后兩個周期則式 27 得測試誤差為如果超聲波的固有頻率為 125KHz 則測試誤差將縮小 3125 倍 3 超聲波的傳播速度與溫度關(guān)系 根據(jù)當時的溫度情況對照超聲波的傳播速度與溫度關(guān)系采用適合的聲速來進行計算 3 超 聲波導(dǎo)盲手杖系統(tǒng)的設(shè)計 31 總體實現(xiàn)的功能 障礙物檢測 這是本系統(tǒng)要實現(xiàn)的一個最主要的功能目的是能夠?qū)γと酥車慕ㄖ蛊饻羡值日系K物進行自動判斷和定位同時對回波信號運用一定的數(shù)字信號處理技術(shù)進行分析以便反映出障礙物的性質(zhì) 超聲測距 該部分是利用超聲波在空氣中傳播時遇到障礙物返回的特點來實現(xiàn)測量距離的目的根據(jù)超聲波從發(fā)射到接收到回波的時間以及此時的聲速就可以計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量距離有一定的上限超過上限距離的障礙物的回波將無法檢測 到同時由于發(fā)射超聲波對接收超探頭的影響測量距離存在下限低于下限距離的障礙物回波將無法與干擾信號區(qū)別開系統(tǒng)測量的就是介于上限與下限距離范圍的障礙物信息 實時顯示檢測結(jié)果 當檢測到障礙物時系統(tǒng)會發(fā)出告警信號 32 系統(tǒng)總體設(shè)計 該系統(tǒng)由單片機超聲波發(fā)射接收電路液晶顯示電路及語音模塊等組成控制核心為單片機單片機在接收到傳感器的信息后將傳感器的信號轉(zhuǎn)換為距離信息通過語音播報或振動提示系統(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 整個系統(tǒng)包括以下幾個模塊 1CPU 模塊 2 超聲發(fā)射模 塊 該模塊包括產(chǎn)生超聲激勵脈沖的發(fā)射電路和超聲探頭由單片機控制產(chǎn)生激勵脈沖激勵探頭發(fā)射超聲波 3 回波信號接收模塊 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)成回波信號經(jīng)超聲波傳感器接收后轉(zhuǎn)換成電信號再經(jīng)放大和濾波使信號的幅度和信噪比達到一定程度滿足信號處理的要求 4 電源模塊 該模塊為整個系統(tǒng)供電 5 顯示模塊 該模塊主要用來鬧鐘的設(shè)定 33 系統(tǒng)總體分析 CPU 的選型 單片機在控制領(lǐng)域中具有很多優(yōu)點它體積小成本低運用靈活易于產(chǎn)品化它能方便的組成各種智能化的控制設(shè)備面向控制能針對性的解決 從簡單到復(fù)雜的各種控制任務(wù)而能獲得最佳的性能價格比它抗干擾能力強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型計算機無法比擬的此外可以方便地實現(xiàn)多機和分布式控制使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高所以我們可以利用單片機與超聲波技術(shù)的的結(jié)合來實現(xiàn)測距基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)易實現(xiàn)成本低精確度高并且容易做到實時控制具備較強的實用性 本系統(tǒng)中單片機模塊由 AT89S52 單片機及其外圍電路組成是整個超聲波測距儀的核心電路 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 儲器 圖 32 引腳結(jié)構(gòu)圖 時鐘電路 在本系統(tǒng)中的時鐘電路我們才用外部時鐘如圖 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候單片機復(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產(chǎn)生超聲傳感器功率驅(qū)動 超聲波的發(fā)射頻率主要是由 C8051F040 單片機產(chǎn)生 功率驅(qū)動電路功能是用來對超聲波換能器進行功率驅(qū)動經(jīng)過驅(qū)動放大達到足夠功率之后推動超聲波換能器產(chǎn)生超聲波 圖 35 超聲波傳感器驅(qū)動電路原理圖 超聲波 接收電路 超聲波會隨著傳播距離的增加而衰減經(jīng)過目標反射回來的超聲波的回波信號弱在距離較遠的情況下只達毫伏級甚至微伏因此為了加大超聲波測距系統(tǒng)的量程范圍需加以驅(qū)動電路根據(jù)電路需求接收電路的功能是將接收到的微弱信號放大并進行濾波整形 接收電路部分主要包括限幅保護電路帶通濾波電路比較放大電路三部分電路構(gòu)成 1 限幅保護電路 因為此探測系統(tǒng)驅(qū)動電壓較高為了防止放大器過載限制高電平振幅同時也可以消除寄生調(diào)幅干擾因此有必要對回波信號先進行限幅保護本系統(tǒng)采用一對穩(wěn)壓二極管 IN4148 構(gòu)成雙向限幅保護電路 圖 36 限幅保 護電路 2 帶通濾波電路 超聲波回波信號非常弱一般為幾個毫伏并且會接收到干擾信號因此信號濾波電路是回波接收的關(guān)鍵電路本文采用單個集成運放構(gòu)成二階有源帶通濾波電路由運算放大器 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 R1 R3 R4 RR2 2RC1 C2 C 時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大會使輸入信號嚴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是一種直接耦合式放大電路這種電路比較簡單放大倍數(shù)容易調(diào)整 圖 38 接收電路原理圖 本系統(tǒng) 設(shè)計時選擇了各項性能優(yōu)越的 LM387 作為放大器能充分滿足放大的要求可雙電源供電本系統(tǒng)考慮到電源的問題采用單電源供電因此設(shè)計了電壓跟隨器提供 4V 的基準電壓可以有效防止干擾由于回波信號非常弱一般為毫伏級因此由 LM387構(gòu)成了三級放大電路每一級放大 10倍共放大 1000倍左右完全能夠滿足要求并且三級放大可選可以根據(jù)測距的遠近選擇合適的放大倍數(shù) 告警模塊設(shè)計 考慮到產(chǎn)品的使用人群為盲人因此采用的是振動或語音告警形式 ISD1420 語音錄放電路 1ISD1420 芯片特點 ①使用方便的單片 8 至 20 秒語 音錄放 ②高質(zhì)量自然的語音還原技術(shù) ③邊沿電平觸發(fā)放音 ④自動節(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)整時鐘可選用外部時鐘 ⑨無需開發(fā)系統(tǒng) ⑩ 5V 單電源工作 語音電路圖 34 超聲波導(dǎo)盲手杖的軟件設(shè)計 在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲測距的基本功能之后系統(tǒng)軟件所實現(xiàn)的功能主要是針對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用 系統(tǒng)軟件設(shè)計原理 1 單片機 C 語言 C 語言是一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計語言它的特點就是可以 盡量減少你對硬件進行操作具有很強的結(jié)構(gòu)性功能性和可移植性常常被用來作為單片機系統(tǒng)的編程語言但是用于單片機的 C語言和標準 C語言區(qū)別很大如何結(jié)合單片機的系統(tǒng)資源用 C 語言開發(fā)符合實際工程需要的單片機系統(tǒng)對編程者來說具有十分重要的意義 用 C 編寫程序比匯編更符合人們的思考習慣開發(fā)者可以擺脫與硬件無必要的接觸更專心的考慮功能和算法而不是考慮一些細節(jié)問題這樣就減少了開發(fā)和調(diào)試的時間 C語言具有良好的程序結(jié)構(gòu)適用于模塊化程序設(shè)計因此采用 C語言設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)程序時首先要盡可能地采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計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應(yīng)用系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)清晰易于調(diào)試和維護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度又便于整個程序的管理還可增強可讀性和移植性 應(yīng)用 C 語言的優(yōu)越性 1 不懂得單片機的指令集也能夠編寫完美的單片機程序 2 無須懂得單片機的具體硬件也能夠編出符合硬件實際的專業(yè)水平的程序 3 不同函數(shù)的數(shù)據(jù)實行覆蓋有效利用片上有限的 RAM 空間 4 程序具有堅固性 數(shù)據(jù)被破壞是導(dǎo)致程序運行