超聲波傳感器測距原理

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1、一、超聲波測距原理超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播時碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為v,而根據(jù)計時器記錄的測出發(fā)射和接收回波的時間差△t,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離S,即:S=v·△t/2①這就是所謂的時間差測距法。由于超聲波也是一種聲波,其聲速C與溫度有關(guān),表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時,如果溫度變化不大,則可認為聲速是基本不變的。常溫下超聲波的傳播速度是334米/秒,但其傳播速度V易受空氣中溫度、濕度、壓強等

2、因素的影響,其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1℃,聲速增加約0.6米/秒。如果測距精度要求很高,則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕū鞠到y(tǒng)正是采用了溫度補償?shù)姆椒ǎ?。已知現(xiàn)場環(huán)境溫度T時,超聲波傳播速度V的計算公式為：V=331.45+0.607T②聲速確定后,只要測得超聲波往返的時間,即可求得距離。這就是超聲波測距儀的機理。二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計圖2超聲波測距儀系統(tǒng)框圖基于單片機的超聲波測距儀框圖如圖2所示。該系統(tǒng)由單片機定時器產(chǎn)生40KHZ的頻率信號、超聲波傳感器、接收處理電路和顯示電路等構(gòu)成。單片機是整個系統(tǒng)的核心部件，它協(xié)調(diào)和控制各部分電路的工

3、作。工作過程：開機，單片機復位，然后控制程序使單片機輸出載波為40kHz的10個脈沖信號加到超聲波傳感器上，使超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波。當?shù)谝粋€超聲波脈沖群發(fā)射結(jié)束后，單片機片內(nèi)計數(shù)器開始計數(shù),在檢測到第一個回波脈沖的瞬間,計數(shù)器停止計數(shù)，這樣就得到了從發(fā)射到接收的時間差△t;根據(jù)公式①、②計算出被測距離,由顯示裝置顯示出來。下面分別介紹各部分電路：1、超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路如圖3所示，89C51通過外部引腳P1.0輸出脈沖寬度為250μs,40kHz的10個脈沖串通過超聲波驅(qū)動電路以推挽方式加到超聲波傳感器而發(fā)射出超聲波。由于超聲波的傳播距離

4、與它的振幅成正比,為了使測距范圍足夠遠,可對振蕩信號進行功率放大后再加在超聲波傳感器上。圖3中T為超聲波傳感器，是超聲波測距系統(tǒng)中的重要器件。利用逆壓電效應將加在其上的電信號轉(zhuǎn)換為超聲機械波向外輻射;利用壓電效應可以將作用在它上面的機械振動轉(zhuǎn)換為相應的電信號,從而起到能量轉(zhuǎn)換的作用。市售的超聲波傳感器有專用型和兼用型,專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波。兼用型就是收發(fā)一體,只一個傳感器頭,具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用,稱為可逆元件。圖3超聲波發(fā)射電路超聲傳感器結(jié)構(gòu)超聲波發(fā)生器T是一個超聲頻電子振蕩器,當把振蕩器產(chǎn)生的超聲頻電壓加到

5、超聲換能器的壓電陶瓷上時,壓電陶瓷組件就在電場作用下產(chǎn)生縱向振動。壓電組件在超聲振蕩時,仿佛是一個小活塞,其振幅很小,約為(1～10.2)Lm,但這種振動加速度很大,約(10～103)gn,于是把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)化為振動能量,這種巨大的超聲波能量,沿著特定方向傳播出來。其關(guān)鍵技術(shù)是使超聲波波束變細,除待測物外不受其它構(gòu)造物的影響。超聲傳感器是產(chǎn)生超聲波必需的能量轉(zhuǎn)換裝置,它把超聲電磁振蕩的能量轉(zhuǎn)換為聲波。.通過上述超聲換能結(jié)構(gòu),配以適當?shù)氖瞻l(fā)電路,可以使超聲能量的定向傳輸,并按預期接收反射波,實現(xiàn)超聲遙控、測距、防盜等檢測功能。2、超聲波接收電路超聲

6、波接收及信號處理電路是此系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試的一個難點。超聲波接收器接收反射的超聲波轉(zhuǎn)換為40KHz毫伏級的電壓信號,需要經(jīng)過放大、處理、用于觸發(fā)單片機中斷INT0。一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲂盘栁⑷?，同時根據(jù)反射條件不同信號大小變化較大,需要放大倍數(shù)大約為100到5000倍,另一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲎杩馆^大,這就需要高輸入阻抗的多級放大電路,這就會引入兩個問題:高輸入阻抗容易接收干擾信號,同時多級放大電路容易自激振蕩。參考各種資料最后選用了SONY公司的專用集成前置放大器CX20106達到了比較好的效果。CX20106由:前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積

7、分器、整型電路組成。其中的前置放大器具有自動增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠反射信號輸出微弱電壓時放大器有較高的增益,在近距離輸入信號強時放大器不會過載。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)。其主要指標:單電源5V供電，電壓增益77-79DB,輸入阻抗27KΩ,濾波器中心頻率30K-60KHz。功能可描述為:在接收到與濾波器中心頻率相符的信號時,其輸出腳7腳輸出低電平。芯片中的帶通濾波器、積分器等使得它抗干擾能力很強。CX20106采用8腳單列直插式塑料封裝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4。超聲波接收器能將接受到的發(fā)射電路所發(fā)射的紅外光信

8、號轉(zhuǎn)換成數(shù)十伏至數(shù)百伏的電信號，送到CX20106的①腳，CX20106的總放大增益約為80dB，以確保其⑦腳輸出的控制脈