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《高精度超聲波智能測(cè)距儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、高精度超聲波智能測(cè)距儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 超聲波是頻率高于20KHZ的聲波，它指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，在使用中不受光線、粉塵、電磁波等因素影響，且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人研制、避障、車輛的定位與導(dǎo)航、液位測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 1超聲波測(cè)距原理 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立
2、即停止計(jì)時(shí)。已知超聲波在空氣中的傳播速度為c，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的發(fā)射和接收的時(shí)間差t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s，即：s=c·t/2。 誤差分析 根據(jù)超聲波測(cè)距原理s=c·t/2，可知影響測(cè)量距離準(zhǔn)確性的因素有兩個(gè)：傳播速度c和時(shí)間差t。所以盡可能地消除這兩個(gè)因素的影響就可以提高測(cè)量的精度。 超聲波傳播速度在固體中最快，在氣體中最慢。超聲波在空氣中傳輸速度和溫度有關(guān)，溫度越高傳輸速度越快。如果環(huán)境溫度變化明顯，必須考慮溫度補(bǔ)償問題?？諝庵谐暡▊鬏斔俣群蜏囟汝P(guān)系表示為：c=＋(m/s) 式中T為
3、環(huán)境溫度，℃?！ 〕叵鲁暡▊鞑ニ俣仁?40m/s,由于反射式測(cè)量有兩倍的測(cè)量路程，則被測(cè)距離和測(cè)量時(shí)間的關(guān)系為d=340/2×t，即計(jì)時(shí)1us對(duì)應(yīng)被測(cè)距離為。所以采用計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率為1MHZ時(shí)，對(duì)應(yīng)的測(cè)距最小分辨率為。這種分辨率已滿足絕大多數(shù)工業(yè)測(cè)量的要求。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 如圖1，超聲波智能測(cè)距儀主要包括：飛思卡爾單片機(jī)MC9SXS128、超聲波發(fā)送電路、超聲波接收電路、DS18B20測(cè)溫電路、LCD1602液晶顯示電路、報(bào)警電路?！ D1系統(tǒng)硬件框圖 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路由LM5
4、55時(shí)基電路及外圍元件構(gòu)成40KHZ多諧振蕩器電路，調(diào)節(jié)電阻器RP阻值，可以改變振蕩頻率。由LM555第3腳輸出端驅(qū)動(dòng)超聲波換能器T40-16，使之發(fā)射出超聲波信號(hào)。如圖2所示，電路簡(jiǎn)單易制,發(fā)射超聲波信號(hào)大于8m。 圖2超聲波發(fā)射電路圖 超聲波接收電路 超聲波接收電路負(fù)責(zé)接收超聲波信號(hào).并將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識(shí)別的電信號(hào)。超聲波換能器在接收到超聲波信號(hào)時(shí)，由于壓電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)接頭上產(chǎn)生微弱的電壓信號(hào)。利用這一性質(zhì)，設(shè)計(jì)前置放大電路，帶通濾波、自動(dòng)增益控制電路和整形電路，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成為數(shù)字
5、信號(hào)?！ 〕暡ń邮盏幕夭ㄐ盘?hào)幅值隨著被測(cè)距離的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，目標(biāo)距離越遠(yuǎn)回波信號(hào)幅度越小。以接收回波信號(hào)的幅值超過固定閾值的時(shí)刻作為計(jì)時(shí)的停止信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致計(jì)時(shí)誤差隨測(cè)量距離的增加而增大。因此，設(shè)計(jì)了自動(dòng)增益控制電路，電壓放大倍數(shù)隨測(cè)量距離的增大而呈指數(shù)規(guī)律增加，使接收回波信號(hào)的幅值基本保持不變，再通過整形電路輸出，就可以明顯地提高測(cè)量精度。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了通過軟、硬件結(jié)合的AGC電路，它是由可編程放大器AD620、數(shù)字電位器MAX5400結(jié)合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的?！ D3自動(dòng)增益控制電路原理圖 AD620是
6、一種電阻可編程放大器，內(nèi)部由三運(yùn)放組成，具有很高的精度和共模抑制比。增益范圍為1～1000，由接在管腳1、8之間的電阻Rg調(diào)節(jié)。增益公式為： Gain=1+Ω/Rg，式中Rg單位為KΩ。 MAX5400是一種具有256抽頭的數(shù)字電位器，端一端電阻阻值為50KΩ，并帶有SPI接口。管腳3、4、5與單片機(jī)SPI接口相連，實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)。事先把通過實(shí)驗(yàn)獲得的與一定距離對(duì)應(yīng)的較為理想的放大倍數(shù)換算成數(shù)字電位器的抽頭位置，并把這些位置參數(shù)固定在程序表中。單片機(jī)根據(jù)測(cè)量距離的遠(yuǎn)近通過查表獲得參數(shù)，然后通過SPI接口設(shè)
7、置對(duì)應(yīng)增益?！ 囟妊a(bǔ)償電路 由于溫度對(duì)聲速影響較大，如果不進(jìn)行補(bǔ)償，將會(huì)帶來較大的測(cè)量誤差。為了提高系統(tǒng)的精度，需要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。本系統(tǒng)采用DS18B20來實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度。DS18B20是單線串行數(shù)字溫度傳感器，可以直接與單片機(jī)的IO口相連，硬件電路簡(jiǎn)單。溫度測(cè)量范圍為-55～125℃，-10～85℃時(shí)測(cè)量精度為℃,完全滿足系統(tǒng)的要求?！ ∠到y(tǒng)軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示，主要包括：主程序、超聲波發(fā)射子程序、運(yùn)算子程序、溫度采集子程序、外部中斷子程序、定時(shí)器中斷子程序、LCD顯示子程序、報(bào)警
8、子程序?！ D4程序流程圖 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件實(shí)現(xiàn)比較容易，測(cè)距精度高。采用前置放大器、AGC電路、整形濾波電路對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，取得良好的效果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1： 表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及測(cè)量誤差 通過上表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在近距離測(cè)量范圍內(nèi)，該方法可以達(dá)到mm級(jí)。這種超聲波測(cè)距系統(tǒng)是一種理想的非接觸檢測(cè)方式。 結(jié)束語(yǔ) 本系統(tǒng)采用飛思卡爾高速單片機(jī)做核心處理器，在超聲波發(fā)射電
