超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)-在線(xiàn)瀏覽
2024-08-10 10:15本頁(yè)面
【正文】 sting, the design basically pleted the design requirements.【Key words】microcontroller, ultrasonic, range, transit time method【Type of Thesis】Applied前 言隨著傳感器和單片機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，非接觸式檢測(cè)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。其中，CCD 探測(cè)具有使用方便、無(wú)需信號(hào)發(fā)射源、同時(shí)獲得大量的場(chǎng)景信息等特點(diǎn)，但視覺(jué)測(cè)距需要額外的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。激光測(cè)距具有高方向性、高單色性、高亮度、測(cè)量速度快等優(yōu)勢(shì)，尤其是對(duì)雨霧有一定的穿透能力，抗干擾能力強(qiáng)，但其成本高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。這些特點(diǎn)可使測(cè)量?jī)x器不受被測(cè)介質(zhì)的影響，大大解決了傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器存在的問(wèn)題，利用超聲波檢測(cè)既迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單，又易于實(shí)時(shí)控制，在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。展望未來(lái)，超聲波測(cè)距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿(mǎn)足日益發(fā)展的社會(huì)需求，未來(lái)的超聲波測(cè)距儀將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距儀。所以目前研究主要是降低現(xiàn)有測(cè)距方法的誤差和尋找新的超聲波測(cè)距方法。通過(guò)系統(tǒng)論證，本設(shè)計(jì)最終確定采用渡越時(shí)間法。本論文研究了超聲波測(cè)距原理以及各種超聲波測(cè)距系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了本設(shè)計(jì)所采用的方案。制作硬件并檢測(cè)調(diào)試。附錄部分提供了本論文所使用的硬件電路和軟件代碼。 測(cè)量原理 設(shè)在起始時(shí)刻發(fā)射的超聲波的強(qiáng)度為：實(shí)際波為方波，這里為方便公式說(shuō)明用正弦波舉例?？梢岳糜?jì)數(shù)器測(cè)出值，而則需應(yīng)用相位比較器計(jì)算出。本方法同時(shí)使用二個(gè)回波的相位以及包絡(luò)信息，排除了以為周期的相位上的不確定性?；谝陨想p頻超聲波測(cè)距原理，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路是采用兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的相位法測(cè)距電路，分別比較出兩個(gè)不同頻率的波形的相位差，然后將兩個(gè)相位差提供給MCU，由MCU中事先寫(xiě)入的程序來(lái)計(jì)算出兩種波形相位差的差，為了得到所測(cè)距離L的大概值,解決相位法中的解的不確定性,會(huì)需要用到單片機(jī)中的定時(shí)器。由于整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有過(guò)大的運(yùn)算量，基于經(jīng)濟(jì)性和易用性考慮,單片機(jī)選用AT89C52單片機(jī)。當(dāng)為了改變量程而改變超聲波的頻率時(shí)，由于MAX275組成不同的濾波器需要不同的外接電阻,所以若需要實(shí)現(xiàn)較大的量程覆蓋，可能需要一組以上的MAX275組成不同的濾波器實(shí)現(xiàn)濾波。根據(jù)輸出波形的平均電平和相位差的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可得到相位差與輸出平均電平的曲線(xiàn)。發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波，在由接收探頭接收到第一回波的同時(shí)停止單片機(jī)計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)，由于超聲波在空氣中的速度已知，根據(jù)公式即可求得探頭與待測(cè)目標(biāo)之間的距離。 雙頻渡越時(shí)間法由于空氣對(duì)超聲波的吸收與超聲波頻率的平方成正比，因此用來(lái)測(cè)距的超聲波的頻率就不能很高。所以，測(cè)距的范圍加大與測(cè)量精度實(shí)際上是一對(duì)矛盾。其原理是:同時(shí)發(fā)射兩個(gè)頻率分別為fL和fH的雙頻超聲波，由于fH的波長(zhǎng)較短，絕對(duì)測(cè)量精度高, 而空氣對(duì)它的吸收大，所以用于近距離測(cè)距(比如5m 以?xún)?nèi))，而fL波長(zhǎng)較長(zhǎng)，絕對(duì)精度低，但是空氣對(duì)它的吸收要小很多，可以達(dá)到較遠(yuǎn)的目標(biāo)(比如5～20m),由于這個(gè)范圍絕對(duì)距離較長(zhǎng),因此可以保證在整個(gè)測(cè)距范圍內(nèi)相對(duì)精度一致。這是一種高精度的測(cè)距方法。 往復(fù)法往復(fù)(sing—around)法是利用由介質(zhì)層返回的回波去觸發(fā)下一次信號(hào)的發(fā)射，這樣反復(fù)觸發(fā)并記錄觸發(fā)的次數(shù)，在一定的時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)的厚度就是觸發(fā)次數(shù)的函數(shù)。然而，較多的觸發(fā)計(jì)數(shù)的代價(jià)就是延長(zhǎng)了測(cè)量時(shí)間。這種方法通過(guò)提高調(diào)制頻率可以提高測(cè)量精度，當(dāng)然也存在相位上以為周期的不確定性。相位比較法同樣也存在以為周期的不確定性，同時(shí)還存在由于三次回波而形成干涉的影響。這種方法可用到達(dá)比較高的精度。 方案選擇 通過(guò)分析，相位法雖然能較精確的測(cè)得距離，但其系統(tǒng)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難。其他幾種測(cè)距方法都有各自的要求或局限性，實(shí)現(xiàn)并不容易。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 主要技術(shù)指標(biāo) 量程：30～200cm； 電源：5V DC； 超聲波頻率：40kHz； 測(cè)量誤差：177。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為中央處理器，采用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)和控制。顯示部分采用四位LED數(shù)碼顯示管顯示距離。本次設(shè)計(jì)采用的是后者。輸出端采用兩反相器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。電路原理圖如圖22所示。電路如圖23所示。集成電路CX20106A可用來(lái)完成信號(hào)的放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和波形整形等功能。其帶通濾波器中心頻率可由芯片腳5的外接電阻調(diào)節(jié)，不需要外接電感，可避免外磁場(chǎng)對(duì)電路的干擾，可靠性較高。7腳為信號(hào)輸出口，沒(méi)收到信號(hào)時(shí)為高電平，收到后變?yōu)榈碗娖?，之后又恢?fù)高電平。用74LS07和74LS245驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，～,～。圖 2 53超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和仿真 總體設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要有主程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收中斷子程序及顯示子程序。晶振為12Mhz，所以機(jī)器周期為1微秒。 nop()。nop()。 nop()。nop()。 P1_0 = 0。nop()。 nop()。nop()。 } P1_0=0。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2，以表示此次測(cè)距不成功。t/2可以計(jì)算出被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離。 bw = time%1000/100。 gw = time%10。 P0 = shu[qw]。P2 = 0x02。 delay(20)。 P0 = shu[sw]。P2 = 0x08。 delay(20)。如：74LS07用74HC07代替；發(fā)射探頭部分用示波器，便于查看T40兩個(gè)引腳的信號(hào)；接收部分用一個(gè)開(kāi)關(guān)代替，兩端分別連接INT0和地。由于設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有安排下載部分，所以用專(zhuān)用的下載器進(jìn)行程序的燒錄。測(cè)試LED數(shù)碼管是否顯示正常（通過(guò)燒錄到單片機(jī)中的顯示程序）；測(cè)試超聲波發(fā)射是否正常，方法是在發(fā)射探頭前放置一根點(diǎn)燃的蠟燭，若蠟燭的火焰有有規(guī)律的抖動(dòng)，則超聲波正常發(fā)射（把耳朵貼到發(fā)射探頭，可以聽(tīng)到“咔咔”的聲音）。再看軟件，發(fā)現(xiàn)當(dāng)把發(fā)送脈沖數(shù)調(diào)高的時(shí)候可以提高測(cè)距范圍，顯然這也會(huì)帶來(lái)更多的誤差，不過(guò)可以達(dá)到系統(tǒng)要求。測(cè)量時(shí)，將測(cè)量?jī)x放置于距離地面50cm高度的地方，正前方面對(duì)一面平整的墻。結(jié)果如表1所示。(2) ，接收端接收到的可能不是第一個(gè)回波，所以會(huì)增加誤差。、(4) 信號(hào)在電路中傳播會(huì)有延時(shí)，也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。 總結(jié)本次設(shè)計(jì)基于51單片機(jī)和超聲波實(shí)現(xiàn)了30～200cm范圍內(nèi)測(cè)距，采用渡越時(shí)間法，硬件系統(tǒng)分為發(fā)射模塊、接收模塊、顯示模塊、中央處理模塊四個(gè)部分。本系統(tǒng)使用四位共陽(yáng)極LED數(shù)碼管顯示距離。不過(guò)系統(tǒng)會(huì)更復(fù)雜，對(duì)各個(gè)模塊要求會(huì)更高。所以，超聲波換能器制造材料的改進(jìn)是超聲波測(cè)
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