想要更好的文章就先把悬赏分设高点嘛~~~不然哪有像我这样的好心人呢。。。超声 波 测 距 系 统Ul tFaSOgiC DiStance Meter System史晓华杜新培Shi Xiaohua Du Xinpei(天津工业入学计算机与自动化学院，天津300 1 60)(School of Computer Technology and Automatiaon，Tianjin Ploytechnic University，Tianjin 300160)摘要：本文介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声测距系统。该系统以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用反射超声波测量待测距离，并且描述了系统研制的理论基础。文章概述了超声检测的发展及基本原理，介绍超声传感器的原理及特性，并且在介绍超声测距系统的基础上．提出了系统的总体构成。～关键词：超声波；单片机中图分类号：TP31 1 文献标识码：A 文章编号：1671—4792一(2008)5—0036—03Abstract：The thesis introduces a kind of pulse-reflection ultrasonic distance meter system based on microcontroller． 2"he system could measure certain distance with the reflected wave on condition in which the speedof transmitting wave is fixed． 1t generallY specifies the theoretical foundation of the system．This papersummarizes the deve1opment and fundamental principle of U1trasonic detection． Then it presents the theory andcharacters of ultrasonic sensor．Moreover， i t proposes the whole structure of the system by i ntroduc ing thefunction of ultrasonic distance meter．Kevwords：U1trasoniC Wave；MCU0 引言 为：检测从超声波发射器发出的超声波(假设传播介质为气目前各种超声波仪器和装置己经广泛地应用在工业、通 体)，经气体介质的传播到接收器的时间即往返时间。往返信、医疗等许多行业中。超声检测技术的基本原理是利用某 时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。而所种待测的非声量(如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、 测距离是声波传输距离的一半，即：温度、流量、液位、厚度、缺陷等)之间存在着的直接或间L=L。v*t (1)接的关系，在确定了这些关系之后就可通过测定这些超声物 在上式中，L为待测距离，v为超声波的声速，t为往返理量来测出待测的非声量。正是在这种工作原理下，我们可 时 。若要求测距误差小于o．1m，已知声速v=344m／s(201C以充分地利用超声波的各种特性来研制超声波传感器，配合 时)，显然，直接用秒表测时间是不现实的。不同的信号处理与显示电路完成许多待测量的检测工作。 因此，实现超声波测距必须避开直接测量时间的方法，测距是立足于声速在既定的均匀媒介传播速度有一恒定 才能获得实用的测长精度。对超声波传播时间的测量可以归数值，不随声波频率变化的特点。超声波测距的关键是把声 结到对超声波回波前沿的检测。检测脉冲计数法：脉冲检测源由反射到返回的传播时间计量出来，若要求测距误差小于 法是对有回波信号经检测电路产生的脉冲进行检测的方法。0．01米，那么测量H寸间的误差必须小于30微秒。因此，实 本文采用的是脉冲检测计数法。这种方法实现起来较包络检现声波测距须避开直接测量日、『间的方法，才能获得实用的测 测方便，电路实现简单，精度也较高。实现的方法是当回波长精度。 信号经放大处理后，进入比较器，调整好合适的阈值在比较1 超声测距原理 器的输出端就会产生40kHz的方波。利用查询或者中断的方本文的硬件设计采用超声波往返时 检测法， 其原理 法便可以检测出这些脉冲，便于测量出发射到接收到脉冲的5Q维普资讯 时间。2 超声测距系统的总体方案发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一只发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的设计就相对简单一些。但是，每一只实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值之后，会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害。发射部分的点脉冲电压很高，但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。图一超声测距硬件结构图3 超声测距系统的硬件3．1发射电路(1)发射波形发射部分用单片机控制产生40KIlz的方波，然后加以驱动。如图二所示波形是PWM波形经过三极管放大后发生轻微变化，之后送至发射传感器发射的信号波形， 理论上说该信号是稳定无变化的。为使传感器充分震荡，发射脉宽不可以过小，一般来说我们选择40KIlz的方波信号，但是实际情况是我们可以得到频率为39KIIz到40KHz之间的信号。， ， r ，图二三极管放大后的信号波形(2)发射电压传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机6Q的灵敏度，综合各种损耗的因素，包括往返传播损失、声波传输损失、声波反射损失、环境噪声损失等。在发射端电源处极其容易产生干扰，可以选择适当大d，fl-'J电容进行滤波。设计的发射电路如图三所示。图三超声波发射电路3．2接收放大部分接收放大单元的作用是对有用的信号进行放大，并抑制其它的噪声和干扰，从而达到最大信噪比，以利检测单元的正确检测。超声波回波经超声波接收传感器，电容隔直滤波，一级放大，二级放火后，在解码器的输出端有信号时将得到低电平进入单片机以产生巾断用于计时。图四接收放大电路在传感器接收到的信号中，除了障碍物反射的回波外，总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声。环境噪声主要集中在低频段，远离回波信号频率。因此系统的总噪声系数主要有接收机的内部噪声决定，其功率谱宽度远大于接收机的通频带。而且内部会产生一个与有用信号频率基本相同，只有幅值不同的信号，可以使用一些特殊的电路将其隔离。3．3检测单元接收信号放大到2V左右时，就可以进行信号检测。信号检测的目的是确定接收信号的到达时间，这是整个电路中一个关键的地方。因为它不仅决定系统的测量精度，还关系到整个系统是否能正常工作。检测电路设计的要求是保证每次接收信号都能被准确的鉴别出来转换成数字脉冲去触发单片机的外巾断引脚。通常采用某一固定电平或滑动门限电平作为比较电平。以零电平维普资讯 作为比较电平是行不通的，因为放大后的信号中含有一定幅 接收信号显示的设计。在系统软件中，要完成接收控制信号、值的噪声，这样一来，即使没有接收信号，也会造成比较器 发射脉冲信号、峰值采集信号的时序及输出以及信号处理后反复触发，从而无法判断那个信号是真正的接收信号。若采 的显示等。 超士用某一高于一般噪声峰值的固定电平，这样做可以削除一般 (2)数据存储 ‘卢波噪声的影响，而且比较电平固定，可以实现对电路信号的准 为了得到发射信号与接收回波间的时间差，要读出此刻 测确检测。 计数器的计数值，然后存储在RAM中，而且每次发射周期的 距系3．4显示单元 开始，需要对计数器清零，以备后续处理。 统显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛 (3)信号处理的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显 RAM中存储的计数值并不能作为距离值直接显示输出，示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使用LED发 因为计数值与实际的距离值之间转换公式为：光二极管，给出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的 s=O．5×V×T=O．5×V×(Tr×N)显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏。 其中，T为发射信号到接收之间经历的时间，Tr为方波3．5声速校正 信号作为计数脉冲时计数器的时间分辨率，N为计数器的值。要想通过测量超声波传播时间确定距离，声速C必须恒 在这个部分中，信号处理包括计数值与距离值换算，二进制定，实际上声速随介质、温度、压力等变化而变化。一般情 与十进制转换。况下，由于大气压力变化很小，因此传播速度主要考虑温度 (4)数据传输与显示的影响。对一定介质，通常采用对温度进行修正的方法，可 经软件处理得到的距离送到四位LED显示。以测得比较准确的距离。通过对温度修正来校正声速的方 由于距离值的得出及显示是在中断子程序中完成的，因法，即用测温元件测量实际环境，根据声速与温度的关系计 此在初始化发射程序后进人中断响应的等待。在中断响应之算出测量时实际环境中的声速，再根据测距公式得到距离。 后，原始数据经计数值与距离值换算子程序，二进制与十进空气中声速C与温度T的关系在常温下可由下面近似公式(2) 制转换子程序后显示输出。表示： 整个系统软件功能的实现可以分为主程序、子程序、中c=(331．4+o．607T)m／s (2) 断服务程序几个主要部分。3．6干扰问题及其解决方法 ．这里的干扰主要外界高频噪声及电源等对信号产生的干 参考文献扰，由于这类干扰信号尤其是电源干扰信号和有用信号极其 【1】超声波探伤编写组编著．超声波探伤【MJ．北京：电相似，因此在这段时间里不容易检测出回波信号。 力工业出版社，1980．针对高频噪声和电源干扰，可以通过选择合适的元器 【2】王纯正．超声学【M】．北京：人民卫生出版社，1993．件，加之滤波电路就可以消除干扰，对接收部分的信号放大 【3】中国无损检测学会编译．超声波探伤【M】．北京：机处理也可以采用隔离抗干扰技术。这样的处理可以很好的消 械工业出版社，1987．除干扰。 【4】同济大学声学研究室．超声工业测量技术【M】．上海：4 系统软件 上海人民出版社，1977．在系统硬件构架了超声测距的基本功能之后，系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应 作者简介用。根据以l 所述系统硬件设计和所完成功能，系统软件需 史晓华(1985-)，男，天津工业大学计算机与自动化学要实现以下功能： 院04级本科，电气工程及其自动化专业；(1)信号控制 ’ 杜新培(1986一)，男，天津工业大学计算机与自动化学在系统硬件中， 己经完成了发射电路、回波接收电路、 院O4级研究生。R1
