超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)-文庫(kù)吧資料
2025-07-06 10:15本頁(yè)面
【正文】 ime/1000。然后讀取計(jì)數(shù)器中的值，取20℃時(shí)的聲速344m/s，則由D=c} 超聲波接收中斷程序 超聲波測(cè)距儀主程序利用外中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序，然后立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。nop()。nop()。nop()。 nop()。nop()。nop()。nop()。nop()。主程序流程圖如圖31所示：開始調(diào)用顯示子程序，顯示距離超聲波發(fā)射，計(jì)時(shí)開始計(jì)算路程時(shí)間初始化開始等待接受回波 NY圖 3 1 超聲波發(fā)射子程序 本設(shè)計(jì)由軟件產(chǎn)生40kHz的驅(qū)動(dòng)信號(hào)：void fasong(uchar gs) { while(gs) { P1_0 = 1。 主程序 首先對(duì)系統(tǒng)初始化，設(shè)置定時(shí)器的初值和工作方式，使總中斷允許位=1，并給顯示端口清0，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，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)，需要延時(shí)一段時(shí)間后才打開INT0中斷，并且開始等待接收到的回波和中斷信號(hào)，若接收到回波（INT0引腳出現(xiàn)低電平），計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，保存時(shí)間信息，計(jì)算出當(dāng)前距離后儲(chǔ)存，并調(diào)用顯示子程序, 結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式傳送到LED顯示，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。電路如圖25所示。圖 2 – 4 超聲波接收電路 顯示電路 顯示電路采用4位共陽(yáng)極數(shù)碼管顯示。 當(dāng)超聲波接收頭收到發(fā)射信號(hào)時(shí)，便通過(guò)CX20106進(jìn)行前置放大、限幅放大、帶通濾波、峰值檢波和比較、積分及施密特觸發(fā)比較得到解調(diào)處理后的信號(hào)?？梢员ＷC在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)，放大器有較高的增益，在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過(guò)載。圖 2 – 3 超聲波發(fā)射電路 接收電路 CX20106A是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控系統(tǒng)中作接收預(yù)放用的雙極型集成電路，可用來(lái)代換多種型號(hào)的遙控接收集成電路。圖 2 2 采用9012三極管驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路 該電路超聲波發(fā)送模塊是使用9012三極管做為驅(qū)動(dòng)放大，另一端接集電極，R8提高驅(qū)動(dòng)能力，通過(guò)調(diào)試電阻可以加大超聲波的發(fā)射功率，從而提高測(cè)距距離。上拉電阻一方面提高反相器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增強(qiáng)超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。 采用74LS04驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路 發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波探頭構(gòu)成，一路經(jīng)一級(jí)反相器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反相器后送到超聲波換能器的另一端，用這種形式可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。 超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如圖21所示接收探頭驅(qū)動(dòng)電路發(fā)射探頭數(shù)碼管顯示AT98C51單片機(jī)(計(jì)時(shí)及計(jì)算)信號(hào)放大,脈沖整形,帶通濾波發(fā)射接收確認(rèn)收到回波單片機(jī)產(chǎn)生40KHz方波信號(hào)最終測(cè)量結(jié)果圖 2 1 超聲波發(fā)射電路 單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)發(fā)送40kHz信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路有兩種，分別是采用反相器74LS04和三極管9012放大驅(qū)動(dòng)，使超聲波發(fā)射探頭共振，發(fā)出40kHz的超聲波信號(hào)。超聲波接收部分使用CX20106A作為接收主控制芯片，收到信號(hào)后輸出端輸出低電平給INTT0口，接收成功，停止計(jì)時(shí)。2cm； 顯示方式：數(shù)碼管顯示。所以，最終選擇渡越時(shí)間法作為最終方案。渡越時(shí)間法無(wú)論是硬件還是軟件實(shí)現(xiàn)都比較容易，如果加上溫度補(bǔ)償電路等改進(jìn)措施后，能達(dá)到比較高的測(cè)量精度，可以滿足本次設(shè)計(jì)的要求。但是，必須對(duì)回波進(jìn)行A／D變換并進(jìn)行FFT分析等運(yùn)算，因此要求系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)FFT運(yùn)算功能。 頻域的譜分析法頻域的譜分析法是利用回波的頻域變換技術(shù)的測(cè)距方法，可用利用回波的頻譜特性，也可以利用相位特性，或者二者兼有。這種方法不適用于收發(fā)合置的聲學(xué)系統(tǒng)。 多重相位法多重相位法是將超聲波利用另一個(gè)頻率較低的信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，而后發(fā)出調(diào)幅波，接收調(diào)幅波及其二個(gè)不同頻率的信號(hào)的相位差，以這個(gè)相位差為依據(jù)，計(jì)算傳聲介質(zhì)的厚度或距離。顯然，要想提高測(cè)量精度，必須進(jìn)行較多的觸發(fā)計(jì)數(shù)。但這種方法必須事先知道發(fā)射換能器和目標(biāo)之間超聲波傳播的介質(zhì)中存在有二個(gè)以上的共振頻率。 其他幾種測(cè)距或測(cè)厚方法 共振法共振法是利用超聲波在介質(zhì)中的多次反射而形成的共振，通過(guò)測(cè)定幾個(gè)共振頻率的差來(lái)測(cè)量厚度。為了解決這一矛盾，我們引入了已被廣泛用于海洋測(cè)深方法中的雙頻超聲波探測(cè)技術(shù)，使其用于空氣中的測(cè)距及定位。另一方面頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，測(cè)距的絕對(duì)誤差就越大。測(cè)量原理如圖14所示圖 1 4通常的計(jì)算是默認(rèn)上圖中,在兩個(gè)探測(cè)頭T和R的距離M較小時(shí),這樣默認(rèn)并沒(méi)有錯(cuò),但當(dāng)測(cè)量距離較小時(shí),或者距離M較大時(shí)，的式子便不再適用,為了進(jìn)一步降低測(cè)量誤差,應(yīng)該在編程時(shí),將距離計(jì)算公式寫作，而且，可以在較短時(shí)間內(nèi)多次發(fā)出超聲波測(cè)量,完成后計(jì)算平均值然后顯示。如圖13所示：圖 1 325 渡越時(shí)間檢測(cè)法 單頻渡越時(shí)間法本設(shè)計(jì)方案中使用的渡越時(shí)間檢測(cè)法原理是，在由單片機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的同時(shí)，開啟單片機(jī)中的計(jì)時(shí)器，開始計(jì)時(shí)。在相位比較電路中,把信號(hào)源輸出的正弦信號(hào)和接收端得到的正弦信號(hào)分別轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)A 和B ,將A、B 輸入具有很強(qiáng)抗噪能力的異或門,如圖12所示:圖 1 2當(dāng)輸入波形a和b之間的相位差變化的時(shí)候,輸出波形的占空比隨之發(fā)生變化，通過(guò)積分電路可得到輸出波形的平均電平。在接收部分中,由接收探頭接收的波形經(jīng)過(guò)前置放大后，經(jīng)由濾波器濾波,使用的濾波器選用MAX275。另外，顯示部分也是由MCU來(lái)完成?；驹硎鞘褂脙蓚€(gè)不同頻率的波形的發(fā)射與接收波的相位差的差的變化函數(shù)來(lái)代替單個(gè)頻率的波形相位差的變化，如下式式中,為兩種頻率波形的初始相位. 為兩種頻率接收波形的相位，為兩種頻率波形相位差的差的變化函數(shù)，這樣做的好處是，既有使用高頻率超聲波的良好的方向性與反射性，同時(shí)由于的周期相對(duì)于單個(gè)波形的相位差變化函數(shù)的周期更大，這樣能增大相位差對(duì)距離的細(xì)分尺度，從而得到更精確的測(cè)量結(jié)果。 系統(tǒng)硬件原理框圖設(shè)計(jì)出超生波測(cè)距系統(tǒng)硬件原理框圖11：圖 1 1 基于相位法雙頻超聲波測(cè)距雙頻超聲波測(cè)距法是發(fā)射二個(gè)頻率不同的猝發(fā)聲波，測(cè)定與這二個(gè)猝發(fā)聲對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)的相位，根據(jù)所測(cè)相位進(jìn)行測(cè)距的一種高精度的超聲波測(cè)距方法。接收時(shí)刻調(diào)制波的強(qiáng)度為：，則接收與發(fā)射時(shí)刻的相位差為：，時(shí)間差為：，根據(jù)時(shí)間和相位的關(guān)系，待測(cè)距離可以轉(zhuǎn)換為：其中，為待測(cè)距離；為超聲波傳播速度；為超聲波波長(zhǎng)；為相位傳播延遲中的中周期數(shù)；為相位延遲中不足一周期的相位差值。目 錄1方案選擇 1 相位法超聲波測(cè)距 1 測(cè)量原理 1 系統(tǒng)硬件原理框圖 2 基于相位法雙頻超聲波測(cè)距 2 渡越時(shí)間檢測(cè)法 5 單頻渡越時(shí)間法
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