O 引言
超聲波" title="超聲波">超聲波是一種頻率在20KHz以上的機械波,,在空氣中的傳播速度約為340 m/s(20°C時),。超聲波可由超聲波傳感器產(chǎn)生,常用的超聲波傳感器兩大類:一類是采用電氣方式產(chǎn)生超聲波,,一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波,,目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。由于超聲波具有易于定向發(fā)射,,方向性好,,強度好控制,對色彩,、光照度不敏感,,反射率高等特點,,因此被廣泛應(yīng)用于無損探傷,距離測量,、距離開關(guān),、汽車倒車防撞、智能機器人等領(lǐng)域,。
1 系統(tǒng)原理框圖
本設(shè)計的整體框圖如圖1所示,,主要由超聲波發(fā)射,超聲波接收與信號轉(zhuǎn)換,,按鍵顯示電路與溫度傳感器電路組成。超聲波測距" title="測距">測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波,,從而測出發(fā)射和接收回波的時間差T,,然后求出距離S=CT/2,式中的C為超聲波波速,。在常溫下,,空氣中的聲速約為340m/s。由于超聲波也是一種聲波,,其傳播速度C與溫度有關(guān),,在使用時,如果溫度變化不大,,則可認(rèn)為聲速是基本不變的,。因本系統(tǒng)測距精度要求很高,所以通過對溫度的檢測對超聲波的傳播速度加以校正,。超聲波傳播速度確定后,,只要測得超聲波往返的時間,如圖2所示,,即可求得距離,。這就是超聲波測距系統(tǒng)的基本原理。
2 超聲波信號的發(fā)射與接收電路
發(fā)射部分電路如圖3所示,,主要由脈沖調(diào)制" title="脈沖調(diào)制">脈沖調(diào)制信號產(chǎn)生電路,,隔離電路以及驅(qū)動電路組成,用來為超聲波傳感器提供發(fā)送信號,。脈沖調(diào)制信號產(chǎn)生電路中通過單片機對 555定的復(fù)位(RESET)端的控制,,使555定時器分時工作從而生產(chǎn)生脈沖頻率為40KHz,周期為30ms的脈沖調(diào)制信號,,信號波形如圖2所示,,本設(shè)計中一個周期內(nèi)發(fā)送10個脈沖信號。隔離電路主要是由兩個與非門組成,,對輸出級與脈沖產(chǎn)生電路之間進(jìn)行隔離,。輸出級由兩個通用型集成運放TL084CN 組成,由于超聲波傳感器的發(fā)射距離與其兩端所加的電壓成正比,因此要求電路要產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動電壓,,其基本原理就是一個比較電路,,當(dāng)輸入信號 Vi>2.5V時,運放A的輸出電壓VA=+12V,,運放B的輸出電壓VB=-12V,,當(dāng)輸入信號Vi<2.5V時,運放A的輸出電壓 VA="-12V",,運放B的輸出電壓VB=+12V,,所以在超聲傳感器兩端得到兩個極性完全相反的對稱波形,即VB=-VA,,所以加在超聲波傳感器兩端的電壓V=VA-VB=2VA,,其兩端的電壓可達(dá)到24V,從而保證超聲波能夠發(fā)送較遠(yuǎn)的距離,,提高了測量量程,。
接收部分的電路由放大電路,帶通濾波電路以及信號變換電路組成,。放大電路和帶通濾波電路如圖4所示,。由于超聲波信號在空氣中傳播時受到很大程度的衰減,所以反射回的超聲波信號非常的微弱,,不能直接送到后級電路進(jìn)行處理,,必須將信號放大到足夠的幅度,才能使后級電路對它進(jìn)行正確的處理,。前置放大電路是由集成運放組成的自舉式同相交流放大電路,,具有很高的輸入阻抗,C5,,C6,,C7為隔直電容,R5,,R6,,R7為偏置電阻,用來設(shè)置放大器的靜態(tài)工作點,。帶通濾波器采用二階RC有源濾波器,,用于消除超聲波傳播過程中受到的干擾信號的影響。該電路為二階壓控電壓源帶通濾波電路,,圖中RW,,C10組成低通濾波網(wǎng)絡(luò),C9和R12組成高通濾波網(wǎng)絡(luò),,兩者串聯(lián)組成了帶通濾波電路,。集成運放和電阻R9,,RlO一起組成同相比例放大器,為了使電路能夠穩(wěn)定工作,,必須保證同相比例放大器的增益AV<3,,帶通濾波器的中心頻率ω0=40kHz,電路參數(shù)可通過AV=1+R9/R10和ω0=1/R12C2(1/RW+1/R13)確定,。經(jīng)過帶通濾波后的信號經(jīng)專用儀表放大器AD620進(jìn)行放大,,然后送到信號變換電路,信號變換電路主要將接收到的包絡(luò)信號變換成單片機的中斷觸發(fā)信號,。由包絡(luò)檢波電路,,電壓比較器和RS觸發(fā)器組成。包絡(luò)檢波電路由二極管D3,,電阻R19,,和電容C13組成。經(jīng)過包絡(luò)檢波得到的信號如圖6中的V2所示,。電壓比較器由集成運放和電容電阻組成,為了消除發(fā)送探頭的干擾信號,,我們將單片機P1.2輸出的信號加到電壓比較器的同相端,,它的波形是250μs的高電平,和29750μs低電平的方波,,通過二極管D3將P1.2和比較器的正向端隔離,。當(dāng)P1.2輸出高電平時,通過二極管對電容C14充電,,由于二極管是正向?qū)ǖ?,所以充電很快,?dāng)P1.2輸出為低電平時,,二極管反向截止,,電容通過電阻RW和R21放電,由于總電阻比較大,,所以放電很緩慢,,波形如圖6中V3所示,從圖中可看出,,在沒有收到返回信號時,,比較器輸出高電平,如果收到返回信號,,比較器便輸出低電平,,輸出波形如圖6中Vo所示,通過這種方法就可以消除發(fā)射探頭對反射回的信號的干擾,。
電壓比較器的輸出信號送到基本RS觸發(fā)器用于產(chǎn)生單片機所需的中斷信號,?;綬S觸發(fā)器由與非門組成,同時由單片機進(jìn)行控制,,如圖6所示,。在發(fā)送端發(fā)送超聲波信號時,P1.2輸出高電平,,經(jīng)過反相器后,,變?yōu)榈碗娖郊拥接|發(fā)器的R端,因為沒收到反射信號之前,,電壓比較器輸出為高電平,,所以基本RS觸發(fā)器的輸入分別為,R=O,,S=l,,為0態(tài),即Q=0,,Q=1,,Q的信號加到單片機的中斷輸入端,因為單片機的中斷為下降沿觸發(fā),,輸入為高電平,,不產(chǎn)生中斷。當(dāng)發(fā)送完畢時,,P1.2輸出低電平,,經(jīng)反相器,變?yōu)楦唠娖剿偷接|發(fā)器的R端,,沒有收到反射回的信號時,,電壓比較器輸出仍為高電平,所以基本RS觸發(fā)器的 R="1",,S=1,,為保持狀態(tài),即Q=1,,Q=0,,也不產(chǎn)生中斷。當(dāng)接收到反射回的信號時,,電壓比較器輸出低電平,,因此,基本RS觸發(fā)器的輸入端 R="1",,S=0,,觸發(fā)器工作在0態(tài),即Q=O,,Q=1,。單片機的中斷輸入端的電平由高電平變?yōu)榈碗娖?,從而使單片機產(chǎn)生中斷。
3 單片機外圍電路原理圖
單片機的外圍電路圖如圖7所示,,顯示電路由單片機控制七段數(shù)碼管進(jìn)行顯示,,采用數(shù)字溫度傳感器DS18820對環(huán)境溫度進(jìn)行檢測,從而對超聲波的傳播速度進(jìn)行溫度補償,,提高測量精度,。兩個按鍵用于控制測量的開始與停止以及距離與溫度顯示的切換。
4 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計包括三個部分,,主程序,,定時中斷程序和外部中斷程序,流程圖如圖7所示,。
5 結(jié)論
本系統(tǒng)由于發(fā)射功率和超聲波發(fā)射探頭的原因,,測量距離在10cm到500cm之間,在近距離測量和遠(yuǎn)距離測量時存在誤差較大,,在50cm和200cm之間測量時精度最好,,誤差不大于1cm。在本設(shè)計中由于超聲波發(fā)射周期為10個25μs 的方波,,因此發(fā)射時間為T=250μs,,已知常溫下聲速C為340m/s,可知S=CT/2=250μs/2=8.5cm,,因此確認(rèn)測距盲區(qū)為9cm。即當(dāng)測量距離小于9cm時不能正確測量,。