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(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí),超聲波在空氣中傳播時(shí)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(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為v,而根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的測出發(fā)射和接收回波的時(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=v·△t/2①這就是所謂的時(shí)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(shí),如果溫度變化不大,則可認(rèn)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(qiáng)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(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕū鞠到y(tǒng)正是采用了溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?。已知現(xiàn)場環(huán)境溫度T時(shí),超聲波傳播速度V的計(jì)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(shí)間,即可求得距離。這就是超聲波測距儀的機(jī)理。二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)圖2超聲波測距儀系統(tǒng)框圖基于單片機(jī)的超聲波測距儀框圖如圖2所示。該系統(tǒng)由單片機(jī)定時(shí)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(jī)是整個(gè)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(jī)，單片機(jī)復(fù)位，然后控制程序使單片機(jī)輸出載波為40kHz的10個(gè)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(dāng)?shù)谝粋€(gè)超聲波脈沖群發(fā)射結(jié)束后，單片機(jī)片內(nèi)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),在檢測到第一個(gè)回波脈沖的瞬間,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這樣就得到了從發(fā)射到接收的時(shí)間差△t;根據(jù)公式①、②計(jì)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(gè)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(yuǎn),可對振蕩信號進(jìn)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(yīng)將加在其上的電信號轉(zhuǎn)換為超聲機(jī)械波向外輻射;利用壓電效應(yīng)可以將作用在它上面的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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(gè)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(gè)超聲頻電子振蕩器,當(dāng)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(shí),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(shí),仿佛是一個(gè)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(xì),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(dāng)?shù)氖瞻l(fā)電路,可以使超聲能量的定向傳輸,并按預(yù)期接收反射波,實(shí)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(jì)和調(diào)試的一個(gè)難點(diǎn)。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(jī)中斷INT0。一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲂盘栁⑷?，同時(shí)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(gè)問題:高輸入阻抗容易接收干擾信號,同時(shí)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(dá)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(yuǎn)反射信號輸出微弱電壓時(shí)放大器有較高的增益,在近距離輸入信號強(qiáng)時(shí)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(biāo):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(shí),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(qiáng)。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