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超声波测距模块


超声波测距系统 超声波工作原理 超声波应用 超声波发射头研究 超声波发射电路电路设计 超声波测距接收方案设计 超声波测距特点及影响因数 软件设计 参考文献 总结

超声波测距原理:

超声波在相同的传播媒体里 (大气条件) 传播速度相同, 即在相当大的频率范围 内声速不随频率变化, 波动的传播方向与振动方向一致, 是纵向振动的弹性机械 波

, 它是借助于传播介质的分子运动而传播的, 波动方程描述方法与电磁波是类 似的。

式中, A (x ) 为振幅, A 0 为常数, ω 为圆频率, t 为时间, x 为传播距离, k= 2π /λ 为波数, λ 为波长, α 为衰减系数。衰减系数 α 与声波所在介质及频率的关系为 α=af2 (3) - 13 式中, a 为介质常数, f 为振动频率。在空气里, a =2×10 s2/cm, 当振动的 声波频率 f = 40kHz (超声波) 代入式(3) 可得 a = 3.2×10-4 cm-1 , 即 1/α= 31m; 若 f = 30 kHz, 则 1/α= 56m。它的物理意义是: 声波在空气媒质里传播, 因空 气分子运动摩擦等原因, 能量被吸收损耗。在 (1/α) 长度上, 平面声波的振幅 衰减为原来的 e 分之一, 由此可以看出, 频率越高, 衰减得越厉害, 传播的距 离也越短。考虑实际工程测量要求,在设计超声波测距仪时, 选用频率 f = 40kHz 的超声波, 波长为 34000/40000=0.85cm。

超声波测距应用: 1. 超声波流量计:测量水的流速,这是因为超声波是一种机械波,依靠介质才 能传播,其传播方向受介质运动影响,因此,水可以改变传播方向。进而可 以做出超声波流量计,可应以自来水、工业用水、农业用水等进行测量。还 适用于下水道、农业灌渠、河流等流速的测量。 2. 超声波测距仪:用以测量液位、井深、管道长度、建筑测量、厚度测量等。 3. 报警器:盲人探路器、防盗报警等 4. 定位系统:用以探测超声波发射源位置,在生活中有重要意义,如人说话、 呼吸的时候不光产生声波,同样也会产生部分超声波,呼出的气体分子 与空气分子碰撞就产生超声波。气管漏气,轮胎漏气,阀门泄漏、阀门 气蚀、齿轮运行、电晕放电等都会产生超声波。通过接收器看以看出哪 里有漏洞。 超声波发射头研究: 保持 vi 不随 f 变化,测量数据如下: (频率单位:khz,输出电压为峰峰值,单位 V)

f Vo

10 9.52

20 8.16

30 6.08

35 5.44

38 4.32

40 3.76

42 4.32

45 6.48

50 3.28

51 1.6

52 1.92

53 6.8

55 8.32

60 6.32

jeck 10 8

Vop_p/v

6 4 2 0 0 20 40 f/KHZ 60 80

Vo

从图中可以得出结论: ? 超声波发射的串联谐振频率有两个,一个是 40khz,一个是 51khz; 其对应的阻抗分别为:1.27kΩ 和 381Ω 方案一 超声波发射电路
U3 C 5 U3 A P1. 0 1 4 06 9 2 3 4 06 9 U3 B 4 9 U3 E 4 06 9 11 4 06 9 U3 F 13 4 06 9 12 10 C1 1 4 06 9 U3 D 8 6 C0

0 .0 1 uf

T

0 .0 1 uf

图 1-1 由单片机产生 40KHz 的方波,并通过单片机的 P1.0 口接到 CD4069,而后 面的 CD4069 则对 40KHz 频率信号进行调理,以使超声波传感器产生谐振。

超声波发射电路信号走向

图 1-2

超声波接收电路
VCC CX2 01 0 6

D1

LED

1 2 3 4 5 6 7 8

R7 1 5k VCC Q2 9 01 4

R3 1 00

R C2 + R4 5 3 .3 u C3 3 30 p R2 1k R5 R6 2 20 k 1 0k C1 3 .3 n

P3. 2 Q3 9 01 8

图 1-3 当超声波接收头收到发射信号时,便通过 CX20106 进行前置放大、限幅放大、带 通滤波、峰值检波和比较、积分及施密特触发比较得到解调处理后的信号。7 脚 为信号输出口, 没收到信号时为高电平, 收到后变为低电平, 之后又恢复高电平。 (a)为接收信号, (b)为有源峰值检波,如图 1-4

图 1-4

CX20106 使用 超声波接收电路使用了集成电路 cx20106AI 到。cx20106A 是日本索尼公司 生产的红外遥控系统中作接收预放用的双极型集成电路, 可用来代换多种型号的 遥控接收集成电路。CX20106A 的内电路框图及信号流向如图 1-4 所示。 CX20106 内部结构如下:

图 1-5 集成电路 Cx20106A 可用来完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检波和 波形整形等功能, 各部分参数值如表 1-1 所示。其中的前置放大器具有自动增益 控制功能, 可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时,放大器 有较高的增益,在近距离输入信号强时放大器不会过载;其带通滤波器中心频率 可由芯片脚 5 的外接电阻调节,不需要外接电感,可避免外磁场对电路的干扰, 可靠性较高。CX20106A 接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力,可以满足接 收电路的要求。同时,使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰,减小电噪 声。 CX20106 主要引脚说明(表 1-1) : 脚 号 1 2 符号 引脚名称 IN RC 说明

3

c

4 5

GND f。

信号输入 该脚输入阻抗约为 40 士 5k9 端 RC 网络连 该脚与地间接有 RC 串联网络,用来确定前置放大器 接端 的频率特性和增益。电阻增大,电容值小,则增益低: 反则高。但电容不宜过大,否则瞬态响应速度会降低。 检波电容 该脚与地间连接着检波电容。电容量大为平均值检 连接端 波,瞬态响应灵敏度低;电容量小,则为峰值检波, 瞬态响应灵敏度高,但检波输出的脉宽变动大,易造 成遥控误动作。 接地端 带通滤波 该脚与电源间所接电阻 R 用来设置带通滤波器的中 器中心频 心频率 f。 率设置端

6

330p 积分电容 该脚所接的积分电容,标准值为 330PF。当其容量值 连接端 变大,则外部噪波干扰增强,而且输出脉冲的低电平 持续时间增加,遥控距离变短。 7 OUT 信号输出 该端口为集电极开路输出端。该脚和电源之间连接一 端 只 R3 电阻后,输出脉冲低电平的标准值约为 0.2V。 8 Vcc 供电电源 (5 士 0.3)V 端 表 1-1 CX20106 参数表(表 1-2) :

表 1-2 当电阻在 200k~220k 时,f。=40kHZ 左右。 引脚 6 接 330p 的电容 3 接 3.3uf 的电解电容 引脚 2:用以调节放大倍数,及增益,实际使用情况如下: 测试条件:RC 网络连接端中 R1=5Ω ,Vcc=5V,测量距离为单程,以下为粗略值, 仅供参考 C1 104 103 472 332 102 手 指 发 声 1.5m 0.75m 0.5m 0.3m 0.2m 距离 测量距离 10m 以上 9m 7m 6m 5m 表 1-3 此电路制作成功,能够测量 20cm-3m 间的距离,显示最小值为 1cm。 遇到的问题----已解决: 超声波 T 和 R 不能太近,如 3cm,否则 CX20106 很容易受到干扰使图 1-3 的发光 二极管不停地闪烁,CX20106 的增益在 74db 以上,很高,很容易受到干扰信号 的影响,实际相隔 6cm 时解决了此问题。

等待解决的问题:
VCC

R1 1K

R0 1 00

P1. 1

Q1 s 80 5 0

VDD

CX20106 当 1 脚接的超声波探头 T 靠近电源时,如 果 RC 网络连接的 C 比较大时会受到电源的干扰, 使 LED 闪烁。 如果超声波软件开始发射时, 启动 CD4069 电源,发射完后关闭 CD4069 的电源,VDD 为 CD4069 的电源端,其方法是利用单片机的 P1.1 口来控制 CD4069 的电源开与关。其电路如图 1-6。实验效果 表明,在本方案中 CX20106 会受到干扰,我想可能 是电源稳定受到该影响。然而方案二利用 LM324 来 做接收时,原先多次显示出来的数据只有少数是正 确测量出来的结果,利用此图 1-6 的方法确实减少 了很大的干扰,但仍然有点干扰,多次显示出来的 数据只有少数是不正确的结果 。

图 1-6 方案二 发射电路如下图 1-7
VCC
U3C 5 U3A P1.0 1 4069 2 3 4069 U3B 4 9 U3E 4069 11 4069 U3F 13 12 10 C11 4069 U3D 8 6 C0

R1 1K

R0 1 00

0.01uf

T

P1. 1
0.01uf

Q1 s 80 5 0

VDD

4069 图 1-7 单片机 P1.0 为超声波脉冲发射端,P1.1 为超声波发射驱动电路 CD4069 电源控 制端,当要发射超声波时启动 CD4069 的电源,发射后关闭其电源,以减小超声 波 T 带来的干扰,因为电源可能不是十分稳定,含有很小的高频的交流成分,尽 管很小,但传到超声波发射端 T 时,会发射出去,引起接收的干扰。本发射电路 在一定程度上减小了 T 对 R 的干扰。要进一步减小其干扰,就是让 VDD=VCC,同 时要求电源绝对的稳定,不受 Q1 开关的影响,否则接收电路 LM324 电压比较的 参考电压将会受到影响。

超声波接收电路如图 1-8
P3.2 D1 LED0

U?A

LM358

1

VCC

R10

100pf

R3

100k

C7

U1C

LM324_NSC

8

R7

C4

1nf

1K

10

9

VCC

100K

U2B

LM324

7

R9

VCC R6 C2 R5
11

6

5

R4 1K

U1A

1nf LM324_NSC

C3

1

100k VCC

R1

2

3

R2

C1

1nf

1K

图 1-8 此接收电路接收到的超声波信号经过三级 20*20*10=2000 倍左右的放 大。可以测量高达 3m 远的距离,然后给 LM358 做电压比较得到 TTL 方波信号给 单片机接收。此电路优点:为一个 40khz 的带通滤波器,就是 Q 值过低,此电路 有以下缺点:第一:LM324 其对 40khz 的信号放大时,放大倍数受到频率高的限 制,即增益带宽积 fH*Au,使放大倍数最高位 20,这是经过示波器多次数据测量

R

0.1uf

10k

10k

11

100K

C11 0.1uf
11

2

3

R8 100
4 8 4 4 4

和观察的结果。第二:电源不能很稳定,没有做稳压块,会使 LM358 电压比较器 的参考电压受到波动, 只要有一点波动会使反向放大器波形受到破坏,这个电压 稳定相当重要。第三:带通滤波效果差,Q 值低,因而外界干扰信号或噪声干扰 也得到比较大的放大。 此电路制作只是半个成功,即可以测量距离,但有时显示不正确。 超声波测距注意问题及改善方法 a.温度影响测量精度: 稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件.。 而超声波在空气中 传播时,其速度受到了温度、湿度、粉尘、大气压、气流等因素的影响。其中温 度影响最大,超声波在空气中的速度与温度的关系表达式为:

由泰勒公式展开可近似为 c=331.5+0.607t 式中,t 是环境摄氏温度(℃)。所以, 温度每变化 1℃, 波的速度变化为 0.6m/s。可见温度对声速影响很大,测量时必须进行温度补偿。 b.超声波在空气中传播经过多条相隔很近的路径多次来回影响,解决方法有两 个:第一是超声波发射间隔时间增长;第二就是超声波发射模块做小,同时探头 T 与 R 平行于电路板,减小其来回反射路径。 c.提高超声波发射功率,可以增加测量距离,可以采用变压器实现升压。 d. 超声波发射头和接收头 由于靠的很近,容易受到发 射的干扰,应该尽量避免余 波的干扰。从图 1-9 中可以 看到, 当发射超声波脉冲时, 几乎在同一时刻收到了。解 决方法:一个是增加 T/R 之 间的安装距离,第二就是软 件解决,在发射完后,延长 一段时间再开启检测超声波 发射的信号。这就是超声波 存在最小测量距离的主要原 因。 图 1-9 e.避免手接触超声波电路板,容易产生干扰。 f.提高电源的稳定性 g.测量距离时,应尽量保证,传感器轴线与被测物表面垂直; h.实际测距范围与被测物表面材料有关,一般不要测量表面为毛料的物体表面;

①超声波对色彩、 关照度不敏感,可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光 体);??????????????? ②对外界光线和电磁场不敏感,可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒 等恶劣环境中;③超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠, 易于小型化和集成化 优点: 物美价廉,一对超声波探头,如型号 T/40-16 只要 4.5 元; 体积小,易于集成化 参考文献: 1.《新编单片机原理与应用》 第二版 潘永雄编著 西安电子科技大学出版社 2.《模拟电子技术基础》 第四版 华成英 童诗白主编 高等教育出版社 3.TCT40-16T3/16R3 超声波传感器使用说明书 4.《电子制作实例集锦》 傅劲松编著 福建科学技术出版社 5.超声波测距仪的研究 王采堂等 计算机测量与控制. 2002. 10 ( 7) 6.超声波测距模组 V2.0 使用说明书 V2.0 – 2006.04.13 凌阳科技大学计划教育推 广中心 7.超声波测距回波信号处理方法的研究 张坷 俞国华 刘钢海《测控技术》 2008 8 年第 2 7 卷第 1 期 8. 基于单片机控制的超声测距系统的研究 张丹 硕士学位论文


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