超声波红外报警器.docx
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超声波红外报警器
摘要
科学技术的发展是异常迅速的,自从人们发现超声波以来,它就被广泛地运用到各个领域。
本文主要介绍超声波测距仪,本电路的核心是信号的发射与接收。
超声测距是一种非接触式的检测方式。
与其它方法相比,如电磁的或光学的方法,它不受光线、被测对象颜色等影响。
对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。
因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。
特别是应用于空气测距,由于空气中波速较慢,其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来,具有很高的分辨力,因而其准确度也较其它方法为高;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。
最后,本文会详细叙述此电路的安装与调试,并对调试过程中出现的问题做简要说明。
关键词:
超声波;非接触;超声波传感器
Abstract
Science'sandtechnology'sdevelopmentisexceptionallyrapid,hasdiscoveredtheultrasonicwavesincethepeople,itwidelyisutilizedeachdomain.Thisarticlemainintroductionultrasonicwavedistancegauge,thiselectriccircuit'scoreisthesignallaunchandthereceive.Thesupersonicrangefinderisonenon-contactdetectionmode.Compareswithothermethods,liketheelectromagnetismoropticsmethod,ittheopticalfiber,isnotmeasuredinfluencesandsoonobjectcolor.Regardingwasmeasuredthatthethingisindark,hasthedust,thesmog,theelectromagneticinterference,virulentlyandsoonunderthebadenvironmenttohavecertainadaptiveness.Thereforeinthefluidpositionsurvey,themanipulatorcontrols,aspectsandsoonvehiclesautomaticnavigation,objectrecognitiontohavethewidespreadapplication.Speciallyappliesintheairrangefinder,becauseintheairthewavevelocityisslow,initsechosignalcontainsisveryeasyalongthepropagationdirectioninstructureinformationtoexamine,hastheveryhighresolvingpower,thusitsaccuracyalsocompareothermethodstohigh;Moreovertheultrasonicsensorhasthestructuretobesimple,thevolumeissmall,signalprocessingreliableandsooncharacteristics.Finally,thisarticlewillnarratethiselectriccircuit'sinstallmentandthedebuggingindetail,andtowilldebugthequestionwhichintheprocesswillappeartogivethebriefing.
Keywords:
Ultrasonicwave;Non-contact;Ultrasonicsensor
第1章绪论
1.1课题背景
随着科学技术的发展超声波将在传感器中的应用越来越广。
但就目前技术水平来说,人们可以具体利用的传感技术还十分有限,因此,这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。
展望未来,超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间,它将朝着更加高定位高精度的方向发展,以满足日益发展的社会需求。
随着科技的发展,人们生活水平的提高,城市发展建设加快,城市给排水系统也有较大发展,箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理,人们生活舒适显得非常重要。
而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统,保证机器人在箱涵中自由排污疏通,是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。
控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。
1.2设计题目与要求
名称:
超声波测距仪
指标1.显示功能。
2.测试距离介于0.35米到5米
3.误差5%
1.3设计原理与功能
声波测距作为一种典型的非接触测量方法。
跟据超声波在空气中可传播性,实时测得超声波在空气中的传播时间与传播速度,将时间与速度相乘即得距离的原理。
与其他方法相比,如激光测距、微波测距等,由于声波在空气中传播速度远远小于光线与无线电波的传播速度,对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统,因而超声波测距系统电路易实现、结构简单与造价低,且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响,在各种场合均得到广泛应用。
该测距仪可广泛应用于工业生产、医学检查、日常生活,无人驾驶汽车、自动作业现场的自动引导小车、机器人、液位计等。
1.4本章小结
本章主要阐述了超声波测距仪发展背景与意义,同时初步说明了超声波测距仪的功能,并给出了模拟电路框图。
第2章设计方案及选择
2.1设计方案论证
2.1.1测距方式
方案一:
利用超声波回波的强度来确定到障碍物的距离,优点是电路结构简单,但是回波强度不仅与距离有关系,障碍物的反射能力及其它因素都会影响回波强度,所以这种方式不能准确。
方案二:
利用超声波发射与回波之间的时间差来计算出距离,优点是测量精确,但是电路复杂,对环境要求高。
2.1.2超声波发射电路
图2-1晶体管震荡电路
方案一:
为了研究与利用超声波,人们已经设计与制成了许多超声波发生器。
它们所产生的超声波的频率、功率与声波特性各不相同,因而用途也各不相同。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
如图2-1电路中的Q1、Q2组成正反馈稳频振荡器,振荡频率等于超声波换能器的共振频率40KHz。
但是频率不可调、频率稳定性差、抗干扰性差。
图2-2555震荡电路
方案二:
由555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路,调节电阻器RP阻值,可以改变振荡频率。
由555第3脚输出,电路简单易制、稳定性较高。
2.1.3超声波接收电路
方案一:
电路中由晶体管进行放大,VT5、VT6及相关辅助元件构成双稳态电路,触发信号经C7、C8向双稳电路送进一个触发脉冲,VT5、VT6状态翻转一次,以送给计时电路计算,此电路稳定性差、抗干扰性不佳。
图2-3超声波接收电路
(一)
方案二:
集成式超声波接收器电路:
超声波换能器R40-16谐振频率为40kHZ,经R40-16选频后,送入集成电路组成的高通放大器检测并放大。
电路稳定性好,灵敏度高。
图2-4超声波接收电路
(二)
2.1.4数据的显示
方案一:
采用液晶屏显示,可直观显示出距离,电路较复杂,耗电量较大。
方案二:
采用数码管显示,可以准确显示出距离,电路简单,耗电量较低。
2.2方案的比较
2.2.1测距方式
两种测距方式中,方案一利用测量回波强度的方法不准确,而且可能的干扰因素过多。
而方案二利用超声波发射及回波的时间差测量比较准确,可能的干扰因素较少。
2.2.2超声波发射电路
两种超声波发射电路中,由NE555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路,调节电阻器RP阻值,可以改变振荡频率。
电路简单易制、稳定性较高。
所以发射电路采用NE555式发射电路。
2.2.3超声波接收电路
方案一的超声波接收电路是使用晶体管进行放大并整形的,电路复杂且不稳定。
方案二是用集成运算电路处理信号,放大倍数高而且稳定,根据我所要实现的功能所以选用方案二集成运算接收电路。
2.2.4显示电路
方案一的方式直观,但电路连接比较复杂。
方案二是使用数码管来显示距离,比较直观,根据我所要实现的功能所以选用数码管显示电路。
2.3电路框图
TX
RX
图2-5超声波测距仪框图
根据前几小节对不同方案的论证及比较,先确定出电路的框图如图2-5所示电路系统包括:
超声波发生及驱动电路﹑超声波接收整形电路﹑信号比较电路、时间测量电路﹑计时电路﹑显示电路及电源。
其中超声波发射及接收是此电路的主要部分,超声波信号发生器用来产生已调制的超声波脉冲,驱动电路用来放大脉冲以驱动发射头,放大电路用来放大超声波接收头接受到的信号,放大后经比较器整形后送入时间测量电路,经过计数译码送入显示电路显示出距离。
2.4本章小结
本章对电路几部分的不同方案进行了对比论证,并且从中选择出了比较合适的电路并说明了它们的优缺点。
确定了最终的电路组成,绘出了方框图。
第3章单元电路组成与设计
3.1超声波测距原理
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它是由与介质相接触的振荡源所引起的,其频率在20KHz以上。
超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性,由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点,常用于测量物体的距离、厚度、液位等。
超声波的传播速度与介质的密度与弹性特性有关,它在空气中的传播速度为340m/s。
发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,其所经历的时间长短与超声波传播的路程的远近有关,测试传输时间可以得出距长。
利用超声波特性、电子计数相结合可以实现非接触式测距。
超声波传感器:
常用的超声波传感器可以分为二大类,一是用电气方式产生超声波,如压电式、磁致伸缩式超声波传感器;二是用机械方式产生超声波,有加尔统笛、液哨与气流旋笛等。
它们产生的超声波的频率、功率与声波特性各不相同。
这里采用第一类的压电式超声波传感器,是利用压电晶体的电致伸缩现象,即压电效应。
常用的压电材料有石英晶体、压电陶瓷等。
在压电材料切片上施加一定频率的交变电压,当外加信号频率等于压电晶片的固有频率时,会产生电致伸缩振动,产生共振,并带动共振板振动,产生超声波。
超声波的频率越高,方向性越好,但频率太高,衰减也大,传播的距离越短。
考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率f=40kHz,波长λ=0.85cm。
超声波的接收是利用超声波发生器的逆效应(逆压电效应)而进行工作的。
当一定频率的超声波作用到压电晶体片上时,使晶体伸缩,在晶体的两端面产生交变电荷,把电荷转换成电压,再经放大输出,它的结构与发生器类似。
发送与接收可以由一个超声换能器承担,它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。
换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能,向外发送超声波;反之,当换能器处在接收状态时,它可将声能(机械能)转换为电能。
如果发生接收是分开的两个在安装过程中要注意它们之间的距离大概在6—8CM否则过于靠近易产生干扰。
常用的超声传感器有T40-XX与R40-XX系列、UCM-40T、UCM-40R等。
其中T代表发射传感器,R代表接收传感器,它们都是成对使用的。
dB
120
110
100
4043KHz
图3-1T/R40-16声压能级
dB
-50
-60
-70
4043KHz
图3-2T/R40-16灵敏度
从图3-1以及图3-2中可以得知,它的声压能级、灵敏度在40kHz时最大,所以电路一般选用40kHz作为传感器的使用频率,这个系列的超声传感器性能参数如表3-1所示:
表3-1超生传感器电性能参数表
型号
T/R40-12
T/R40-16
T/R40-18A
T/R40-24A
单位
中心频率
40
1
kHz
发射声压最小电平
112
115
115
115
dB
接收最小灵敏度
-67
-64
-64
-64
dB
最小带宽
发射头
5/100
6/103
6/100
6/103
kHz/dB
接收头
5/-75
6/-71
6/-71
6/-71
kHz/dB
电容
2500±25%
2400±25%
2400±25%
2400±25%
pF
超声测距原理:
常用的超声测距方法是回声探测法。
其工作原理是:
使换能器向介质发射声脉冲,声波遇到被测物体(目标)后必有反射回来的声波(回波)作用于换能器上。
若已知介质的声速为c,第一个回波到达的时刻与发射脉冲时刻的时间差为t,那么即可按式s=ct/2计算换能器与目标之间的距离。
图3-3超声波发射电路
如图3-3由LM555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路。
然后加到超声波发射头的两极,由压电陶瓷激励器与谐振片转换成机械振动,经锥形辐射器将超声振动信号向外发射出去。
发射出的超声波向空中四面八方直线传播,遇有障碍物后它可以发生反射。
首先由LM555组成超声波检测脉冲信号发生器,TL=1MSTH=64MS。
IC2组成频率约为40KHZ,占空比为50%超声波载波信号发生器,再经CD4069放大来驱动超声波发送器使之发生40KHz超声波并以疏密波的形式向外传播。
工作信号见下面简图,计算方法见后几小节。
超声波接收器接收到上述信号后,通过放大,滤波器得到控制信号,送至控制器,图3-4中a,b构成双晶体片,在方波驱动下,发送器中的双晶体片,在方波驱动下,发送器中的双晶体片在不同方向被压缩或拉伸形成超声波。
有两种式作方式:
直射式,反射式。
本电路采用的是反射式。
ba圆锥形振子ab
压缩拉伸拉伸压缩
baab
图3-4超声波发射、接收
3.2单元电路设计
3.2.1超声波发射电路
超声波发射电路的组成:
如图3-5由两个NE555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路。
左边的NE555时基电路组成超声波检测脉冲信号发生器然,TL=1MS,TH=64MS。
右边NE555时基电路组成频率约为40KHZ,占空比为50%超声波载波信号发
图3-5超声波发射电路波形简图
生器,再经4069放大来驱动超声波发送器使之发生40KHz超声波并以疏密波的形式向外传播,发射出的超声波向前沿直线传播,遇有障碍物后它可以发生反射。
工作信号见图3-6,详细计算方法见芯片介绍一节。
图3-6超声波驱动电路
3.2.2超声波接收电路
如图3-7所示为超声波接收电路,由超声波接收头与前两级运放完成超声波信号的检测及放大,一般运算放大器需要正负对称电源,为保证其可靠工作,这利用R27与R28进行分压,这是通向段有4.5V的重点电压,这样可以保证放大的交流信号质量,不至于产生失真。
反射回来的信号经第一级放大100倍(40dB),再被第二级放大10倍(20dB),进入有电容及二极管组成的倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送入比较器进行处理。
图3-7超声波接收电路
在比较器的同相端接有电容与二极管,用来防止误检测而设置。
在实际测量时在测距仪的周围会有部分发出的超声波直接进入接收头而形成误检测,为避免这种情况,这里引入检测脉冲适当提高比较器的门限转换电压,由于电容的放电保持作用,可以防止由于检测脉冲本身的干扰而形成的误检测。
当然由于防止误检测的作用,近距离测量会受影响,根据图示参数最小测量距离在40cm左右。
图3-8RS触发电路
如图3-8所示这里由与非门构成的R-S触发器构成时间测量电路,在发出检测脉冲时,即A端为高电平时,D端输出高电平,当收到反射回来的检测脉冲时,C端由高变低,此时D端变为低电平,故输出端得到的高电平即为测试脉冲往返时间。
3.2.3记数与显示电路
计数与显示电路由CD4069,MC14553,HEF4511组成。
如图3-9所示,计数电路脉冲发生器由非门组成,其工作频率为1/(2.2×C×R)。
图3-9计数与显示电路
本设计电路频率设计在17.2KHz左右。
这个频率是在环境温度为20摄氏度时由声波的传播速度为343.5m/s确定的。
实际上,在不同环境温度下,只要测试标准距离1m,然后调节电位器,即改变脉冲发生器的频率,使计数电路显示为100即可校准。
图中MC14553为摩托罗拉公司产的三数字BCD计数器,HEF4511为BCD-锁存/七段译码/驱动器,计数器的清零及数据锁存信号由脉冲的上升沿及下降沿在相关电路的作用下产生。
3.2.4时间增益补偿电路
超声波在空气中传播时,声强会随传播距离的增加而减小,这就是所说的衰减现象,造成超声波衰减的因素是由于声束本身的扩散以及以及由于反射、散射等原因造成的声强度减弱。
显然,这一类衰减没有使声波的总能量减少,只是使其偏离了原来的传播方向而转移到其他方向上去了。
设最初的声强为I0,在经过x距离后,由于吸收衰减,声强变为I,则超声波的吸收可以用式
(2)表示:
式中,α为空气衰减系数。
由上式可知,超声波在空气中传播时,随着传播距离的增加,其总能量逐渐减弱,其规律是按指数形式衰减。
因此,在不同距离上的回波脉冲幅度,由于其声程不同,造成的吸收程度也不同,使回波脉冲幅度的差异很大,由于在回波脉冲信号处理中通常采用比较器电路,将回波脉冲(形状为钟形)跟一固定的基准电压作比较,将回波脉冲整形为方波;由于不同距离的回波脉冲幅度差异较大,回波到达时间产生不确定性,导致测量误差产生。
如果探头发出的超声波,经x距离到达某反射面,并经原路返回,其入射声强与反射声强分别是Ii与Ir,由式
(2)可得
:
从中可以看出,因为吸收而使声强增益L减少的分贝数(dB)为
式中,c为声波在空气中的传播速度,t为传播过程中经历的时间。
由于空气衰减系数α,传播速度c均能确定,由此可以证明:
超声波在x传播距离上幅度减少的分贝数与超声波穿过该距离的时间t成正比。
即随着时间的增加,声强增益L逐渐减小。
因而,必须对衰减上的回波进行增益补偿。
依式(4),可以把接收的增益G(dB值)与回波时间t成正比,或者增益G与回波时间t成指数增加关系。
补偿衰减的幅度,最终使接收器接收的信号保持不变。
因而从较远距离反射的回波信号的放大倍数较大,而距离较近的反射信号,也就是时间上较早到达的回波信号的放大倍数较小,
3.2.5峰值时间检测电路
在采用了增益补偿电路后,回波信号幅度得到了相对的稳定。
但由于压电陶瓷片的惯性、滞后等现象,及超声波脉冲在空气中传播本身存在的多重反射路径等现象,导致回波信号被展宽,造成了回波正确到达时间的不确定性,对测量精度造成较大的影响。
另外由于各种障碍物反射率的不同,对超声波的吸收程度也不一致,在研究中发现仍会使回波信号幅度造成一定的波动,影响了时间检测的精度。
因而须在回波信号处理上采取措施,以消除所造成的误差。
回波信号处理电路由包络检波电路与时间检测电路两部分组成。
包络检波电路没有采用普通的二极管线性检波电路,由于二极管的正向导通电压不小于0.5V,在检波1V以下的小信号时,误差很大。
因此采用有源全波整流电路。
即把二极管置于运算放大器的反馈回路中,即使输入电压的峰值小于0.1V,检波性能仍十分精确。
电路由半波整流电路A1与反相加法运算放大器A2组成。
在R1=R2的条件下,输入电压Ui与U1的关系为:
Ui与U1由反相加法放大器A2求与,在Ui<0时,U1=0,由于R3=R5,所以Uout=-Ui,Uout为正。
在Ui>0时,U1=-Ui,由于R4=0.5R5,所以Uout=-2U1-Ui,故有Uout=Ui这样,不论输入信号极性如何,输出信号总为正,实现了全波整流,电容C的作用是滤波,从而实现了线性包络检波,相当于把超声频率提高了1倍,即提高了时间分辨率,并克服了普通二极管检波电路存在着非线性等缺点。
回波信号处理电路的关键部分是时间检测电路。
通常的情形是采用具有固定阀值电平的比较器电路,将经过检波后的回波信号与一固定阀值电平在一比较器电路中进行比较,比较器输出的翻转时间就是回波到达时间,但由于回波信号被展宽及回波信号幅度一定程度的波动,造成时间检测产生误差,因而在设计中把回波幅度的峰值时间点作为回波到达时间,即设置一微分电路与过零检测电路。
他们的工作原理可由图3-11说明,用于精确地检测峰值时间点,该方法在原理上与信号幅度无关,故具有优良的传输时间检测特性。
图3-11回波信号时间检测电路波形图
不同距离的实验结果如表1所示,每种距离的3次测试结果表明,在0.5~5m的测量范围内,系统最大测距误差为0.5%,且测量重复性较好,具有较高的稳定性。
表3-2实验结果
3.3集成电路结构
3.3.1555振荡器
555电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路。
尽管世界各大半导体或器件公司、厂家都在生产各自型号的555/556时基电路,但其内部电路大同小异,且都具有相同的引出功能端。
图3-12中示出了555时基电路的内部等效电路图。
我们以NE555为例分析其内部电路与原理。
从NE555时基电路的内部等效电路图中可看到,VTl~VT4、VT5、VT7组成上比较器Al,VT7的基极电位接在由三个5kΩ电阻组成的分压器的上端,电压为⅔VDD;VT9~VT13组成下比较器A2,VTl3的基极接分压器的下端,参考电位为⅓VDD。
在电路设计时,要求组成分压器的三个5kΩ电阻的阻值严格相等,以便给出比较精确的两个参考电位⅓VDD与⅔VDD。
VTl4~VTl7与一个4.7kΩ的正反馈电阻组合成一个双稳态触发电路。
VTl8~VT21组成一个推挽式功率输出级,能输出约200mA的电流。
VT8为复位放大级,VT6是一个能承受50mA以上电流的放电晶体三极管。
双稳态触发电路的工作状态由比较器A1、A2的输出决定。
555时基电路的工作过程如下:
当2脚,即比较器A2的反相输入端加进电位低于⅓VDD的触发信号时,则VT9、VTll导通,给双稳态触发器中的VTl4提供一偏流,使VTl4饱与导通,它的饱与压降Vces箝制VTl5的基极处于低电平,使VTl5截止,VTl7饱与,从而使VTl8截止,VTl9导通,VT20完全饱与导通,VT21截止。
因此,输出端3脚输出高电平。
此时,不管6端(阈值电压)为何种电平,由于双稳态触发器(VTl4~VTl7)中的4.7kΩ电阻的正反馈作用(VTl5的基极电流是通过该电阻提供的),3脚输出高电平状态一直保持到6脚出现高于VDD的电平为止。
图3-12555时基电路的内部等效电路图
当
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