毕业设计论文多超声波传感器的距离测量系统设计docWord格式.docx
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又如在自动化装配、检测、分类、加工与运输等过程中,要对随意放置的工件进行作业,这就必须对工件的位置、形状、姿势、种类自动地进行判别,尤其在工件运输过程中进行识别,则问题更为复杂与困难,因此人们急切需要非接触式测距仪。
目前,非接触式测距仪器常采用超声波、激光和雷达。
但激光和雷达测距仪造价偏高,不利于广泛的普及应用,在某些应用领域有其局限性,相比之下,超声波方法具有明显突出的优点:
1.超声波的传播速度仅为光波的百万分之一,并且指向性强,能量消耗缓慢,因此可以直接测量较近目标的距离;
2.超声波对色彩、光照度不敏感,可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体(如玻璃、抛光体);
3.超声波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;
4.超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠,易于小型化与集成化,并且可以进行实时控制。
作为一种非接触式的测量方式,超声波测距器可以广泛应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控,也可用于如水库液位、工业测井、管道长度的测量等场合。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此超声波测距系统在移动机器人避障、导航系统、机械加工自动化装配及检测、自动测距、无损检测等方面也得到了广泛的应用。
1.2超声测距技术的研究情况及其发展
超声检测主要是利用超声波作为载体,即通过超声在媒质中的传播、散射、吸收、波形转换等,提取反映媒质本身特性或内部结构的信息,达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的。
我国无损检测技术是从无到有,从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。
超声波检测仪器的研制生产,也大致按此规律而发展变化。
上世纪五六十年代,我国开始从国外引进超声波仪器,多是笨重的电子管式仪器,如英国的UCT-2超声波检测仪;
后来国内科研单位进口了波兰产超声仪,并进行仿制生产。
随后,上海同济大学研制出CTS-10型非金属超声检测仪,也是电子管式,仪器重约20Kg,该仪器性能稳定,波形清晰。
但当时这种仪器只有个别科研单位使用,建工部门使用不多。
七十年代中期,因无损检测技术仍处于试验阶段,未推广普及,所以仪器没有多大发展,仍使用电子管式的UCT-2,CTS-10型仪器。
随着电子工业的飞速发展,半导体元件逐渐代替了电子管器件,硬件电路的简化更有利于无损检测技术的推广普及。
如罗马尼亚N2701型超声波测试仪,是由晶体管分立元件组成,具有波形和数码显示,仪器重量10Kg;
英国CN.S公司推出仅有3.5Kg重的PLJNDIT便携式超声仪。
随着检测技术研究的不断深入,对超声检测仪器的功能要求越来越高,单数码显示的超声波检测仪测量时带来的较大测试误差,进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显并带有单片机的微处理功能。
随后具有检测,记录,存储,数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。
超声仪研制呈现一派繁荣景象。
如今学术研究多采用美国Polaroid公司的6500系列超声波传感器。
我国煤炭科学研究院研制的2000A型超声波分析检测仪,是一种内带微处理器的智能化测量仪器,全部操作都处于微处理器的控制管理之下,所有测量值,处理结果,状态信息都在显像管上显示出来,并可接微型打印机打印。
其数字和波形都比较清晰稳定,操作简单,可靠性高,具有断电存储功能,其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发,达到了国际先进水平。
1.3本课题的研究内容及其意义
在许多距离测量工作中,外界光线、色彩、电磁场以及有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境等因素往往会造成测量结果出现较大误差,同激光或红外线等测距方法相比,超声波方向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,对外界光线、色彩、电磁场不敏感,也更适用于黑暗、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境,且在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势;
作为一种非接触式的测量方式,超声波测距器可以广泛应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控,也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。
本设计在理论方面对超声波传感器的工作原理,单片机对传感器工作的控制处理等方面内容进行了深入的分析研究,同时对超声波测距结果的LED显示和温度补偿等问题也做出了较实际的分析处理,在此基础上,以Atmel89C51单片机为核心的超声收发控制电路及数据采集处理和显示电路,采用由Polaroid600系列传感器和6500系列驱动模块的超声波测距仪。
Polaroid600系列传感器既可以作为发射器又可以作为接收器,测距范围从6英寸到35英尺,绝对精度±
1%,声波频率为49.4kHz,最大工作周期80ms,本设计能够实现多(单)传感器多(单)目标测量等多种模式测量、温度补偿。
具有电路简单,集成度高,体积小,功耗低,温度补偿,测量精度及灵敏度高,调试方便等优点,适合非接触测距的广泛应用。
第2章超声波测距技术综述
2.1超声波简介
在科学史上,人们很久以前对声音信号就有了认识,声学是最早发展的学科之一。
早在19世纪,声学已成为具有现代意义的科学并发展到相当高的水平。
然而由于超声波是人耳听不到的信号,直到18世纪,人们在研究蝙蝠、海豚等动物时,才推测自然界中存在超声。
人们可听到的声音频率为20Hz~20KHz,即为可听声波,超出此频率范围的声音,即20Hz以下的声音称为低频声波,频率高于人类听觉上限频率(约20KHz)的声波,称为超声波。
声波的速度越高,越与光学的某些特性如发射定律、折射定律相似。
由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同,声波的波形也不同。
一般有以下几种:
1.纵波:
质点振动方向与传播方向一致的波,称为纵波。
它能在固体、液体和气体中传播。
2.横波:
质点的振动方向与传播方向相垂直的波,称为横波。
它只能在固体中传播。
3.表面波:
质点的振动介于纵波和横波之间,沿着表面传播,振幅随着深度的增加而迅速地衰减,称为表面波。
表面波只在固体地表面传播。
总体上讲超声波发生器可以分为两大类:
一类使用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电型,磁致伸缩型和电动型等;
机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各有不同,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。
由于是利用超声波测距,要测量预期的距离,所以产生的超声波必须要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离,同时这是得到足够的回波功率的必要条件,只有得到足够的回波功率,接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。
经分析和大量实验表明,频率为40KHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳,同时为了处理方便,发射的超声波被调制成4OKHz左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号。
2.2超声波测距的一般原理和方法
超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立刻停止计时。
超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF(timeofflight)[9]。
首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间t,再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离,即
公式(2.1)
其中
为传感器与被测障碍物之间的距离,
为声波在介质中的传输速率。
在空气中声波传输速率为
,其泰勒级数展开式(仅保留到一次项)为:
c=c0+0.607T,其中
为绝对温度,
。
由于温度变化,可通过温度传感器自动探测环境温度、也可以通过标定距离来确定计算距离的波速,较精确地得出该环境下的超声波经过的路程,提高测量精度。
在测距精度不是很高的情况下,一般认为c为常数340m/s。
超声波探测方法主要有脉冲反射法(把超声脉冲发射到物体中再接收来自物体中的反射波的方法)、穿透法(利用穿过被检物体的超声波的穿透率和有无声影进行探伤检验的方法)、声阻法(利用被测物件的振动特性,即被测物对探头所呈现的机械阻抗的变化来进行检测)等;
本次超声波测距系统设计采用的是脉冲反射法。
2.3超声波传感器的主要参数及选择
2.3.1主要参数
1.中心频率
中心频率,即压电晶片的谐振频率。
当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时,输出能量最大,传感器的灵敏度最高。
中心频率最高,测距越短,而分辨力越高。
常见超声波传感器的中心频率有30KHz、4OKHz、75KHz、200KHz、400KHz等。
2.灵敏度
灵敏度的单位是分贝(dB),数值为负,它主要取决于晶片材料及制造工艺。
3.指向角
指向角是超声波传感器方向性的一个参数,指向角越小,方向性越强。
一般为几度至几十度。
4.工作温度
工作温度是指能使传感器正常工作的温度范围,其温度上限应远于居里点温度。
以石英晶片为例,当温度达到+290℃时灵敏度可降低6%。
一旦达到居里温度点(573℃),就完全丧失压电性能。
供诊断用的超声波传感器的功率较小,工作温度不高,在-20℃至+70℃温度范围内可以长期工作。
治疗用的超声波传感器温度较高,必须采取冷却降温措施。
2.3.2超声传感器及其驱动模块的选择
超声波传感器是实现声、电转换的装置,又称超声换能器或超声波探头。
这种装置能发射超声波和接受超声波回波,并转换成相应电信号。
本设计选用Polaroid600系列传感器、Polaroid6500系列超声波测距驱动模块。
2.3.2.1Polaroid600系列传感器[2]
该超声波测距传感器采用了6500系列的测距驱动模块和能够发出高频超声波的陶瓷振荡器(ceramicoscillator),当给驱动模块以触发信号,此振荡器便以狭小的圆锥形式发出40Khz的超声波,当遇到障碍物时超声波会有回波,那么该振荡器又变成了一个超声波接收器,当接收回波时,Polaroid6500内有一个调谐电路,使得只有频率接近49.4kHz的信号才能被接收,并把接受到的信号放大变成电信号,而其它频率的信号则被过滤。
如果记下从发出触发信号到接到回波信号的时间t,根据公式s=ct/2即可得距离。
Polaroid600超声传感器发送的超声波具有角度为30度的波束角,如图2.1所示:
图2.1波束角
超声波传感器既可以作为发射器又可以作为接收器,传感器用一段时间发射一串超声波束,只有待发送结束后才能启动接收,设发送波束的时间为,则在时间内从物体反射回的信号就无法捕捉;
另外,超声波传感器有一定的惯性,发送结束后还留有一定的余振,这种余振经换能器同样产生电压信号,扰乱了系统捕捉返回信号的工作。
因此,在余振未消失以前,还不能启动系统进行回波接收,以上两个原因造成了超声传感器具有测量一定的测量范围。
此超声波最近可以测量20cm。
2.3.2.2Polaroid6500系列超声波传感器测距驱动模块[3]
1、Polaroid6500系列超声波传感器测距驱动模块的特点:
⊙精确的声纳测量范围,从152.4毫米到10.668米
⊙可选择的工作方式⊙精确的时钟输出⊙与TTL电平的兼容
⊙多功能的测量能力⊙带插槽的数字芯片
⊙方便的终端连接⊙有可调的电位计
2、Polaroid6500系列超声波传感器测距驱动模块的硬件电路如图2.2所示:
图2.2Polaroid6500系列超声波传感器测距驱动模块的硬件电路
TL851是一个经济的数字12步测距控制集成电路[4]。
内部有一个420KHz的陶瓷晶振,Polaroid6500系列超声波传感器测距驱动模块开始工作时,在发送的前16个周期,陶瓷晶振被8.5分频,形成49.4KHz的超声波信号,后通过三极管Q1和变压器T1输送至超声波传感器。
发送之后陶瓷晶振被4.5分频。
TL852是专门为接收超声波而设计的芯片[5]。
因为返回的超声波信号比较微弱,需要进行放大才能被单片机接收,TL852主要提供了放大电路,当TL852接收到4个脉冲信号时,就通过REC给TL851发送高电平表明超声波已经接收。
3、Polaroid6500系列超声波传感器测距驱动模块的描述:
该系列是一种非常经济实用的声纳驱动模块,它可以驱动所有的Polaroid生产的超声波传感器而不用其他的额外的器件。
这个模块有一个简单的结构,它的测量范围是152.4mm~10.668m,在整个测量范围内它的精确度是+/-1%,该模块有外部消隐输入可以使其工作在多回声模式。
在多回声模式下,它能区分开距离仅有3英寸的两个目标。
这种把回波以数字形式输出和可变带宽的放大器能很大地减小噪声。
给该模块的供电电压的范围是4.5-6.8伏之间,它工作的环境温度是0~40摄氏度。
4、Polaroid6500系列超声波传感器测距驱动模块的推荐工作条件:
表2.1Polaroid6500的推荐工作条件
最小
最大
单位
电源电压
4.5
6.8
V
高电平输入
2.1
低电平输入
0.6
ECHO和OSC输出
上电到加INIT的延迟时间
5
ms
每次测量的工作周期
80
环境温度
0
40
℃
5、Polaroid6500系列超声波传感器测距驱动模块的各控制信号
INIT引脚:
该模块上电之后,给该引脚送高电平则超声波传感器开始发出超声波。
ECHO引脚:
回波输出信号,输出为高电平时表示遇到障碍物。
INTERNALBLANKING:
内部消隐信号,给INIT引脚送高电平之后,该信号会变为高电平,只有该信号为低电平且发现障碍物时ECHO引脚才会有高电平输出,如果在该信号为高电平期间有障碍物ECHO引脚也不会有高电平输出。
BLNK引脚:
外部消隐信号,当发现一个目标后ECHO引脚会变为高电平,为了检测多个目标,应再使ECHO引脚变为低电平,如果给BLNK送一个宽度大于0.44ms的脉冲,就可以完成此功能。
BINH引脚:
外部消隐允许,只有给此引脚送高电平,BLNK所加的所有信号才有效。
6、Polaroid6500系列超声波传感器测距驱动模块的工作方式:
6500超声驱动模块有两种工作方式:
单回声工作方式和多回声工作方式。
给该模块上电后,加触发信号INIT,超声波传感器开始工作,内部消隐允许信号BINH在两种工作方式下的应用是相同的。
触发INIT信号必须是给该模块上电5毫秒之后,以保证内部电路的复位及内部晶振的稳定。
触发INIT信号后,XDCR引脚会有输出,频率为49.4Khz振幅为400v的16个脉冲会激励陶瓷震荡片开始发出超声波,16个脉冲之后幅值为200v的电压会作为最优的选择仍加在该传感器上。
为了消除超声波传感器自身的回响,会有一个高电平的2.38ms内部消隐信号禁止REC接受回波,如果想提前结束内部消隐,只需把BINH信号置为高电平即可提前结束内部消隐。
在单回声模式下(Figure1),所有应该做的是发出超声波后等待回波,
回波信号被放大以ECHO引脚变为高电平的形式输出。
记下从触发INIT到ECHO引脚输出高电平的时间边可以计算传感器到目标的距离。
如果想让一个超声波传感器重复工作,在检测完一个循环后,必须给INIT引脚送低电平,然后再触发INIT,那么下一次测量就开始了。
图2.3单回声工作方式各引脚信号
如果用一个超声波传感器的一个发射循环来检测多个目标即检测多个
回波,它便是多回声工作方式(Figure2)。
接受到第一个回波信号之后ECHO
图2.4多回声工作方式各引脚信号
引脚回变为高电平,我们可以通过给外部消隐BLNK引脚送高电平来促使ECHO引脚变为低电平以备检测下一目标之用(注意:
先使BINH变高,在让外部消隐BLNK引脚送高电平)。
外部消隐信号的高电平必须至少保持0.44ms的持续时间来说明来自第一个目标的16个返回脉冲和允许内部延迟时间,这一时间会使超声波传感器区别目标的距离大于3英寸。
随着INIT变为高电平一个新的超声测距周期就开始了,接收放大器的增益是离散性逐渐增加的,因为信号的传播是随着距离的增加而削弱的。
大约38毫秒之后增益达到最大。
正因如此,35英尺以外的返回信号就难以被检测到,尽管我们可以通过调节电阻R1来增大增益,然而这种接收放大器的增益的增加也是有极限的,这会随着应用的改变而改变,在生产该产品的时候都作了最终的匹配性的测试,这种测试是非常必要的,因为如果有一个电阻与该模块相匹配,我们想要的放大器增益比该模块增益的分布要小的多。
如果匹配的好的话,这种模块在很多应用中会表现的很出色。
基于此接收放大器增益可以被增加,如果需要还可以相应的增加R1,因为这种接收放大器增益是和R1直接成正比的。
电位计VR1能够提供级间的接收放大器增益的调整,它可以通过调整R1来整理整个测量范围内的放大器增益。
第3章超声测距系统总体设计方案
3.1总体设计方案概述
图3.1系统总体设计方案图
本专题设计以AT89C51单片机为核心的超声波测距系统设计方案图如图3.1所示,系统选择了与设计比较适合的收发于一体的Polaroid600超声波传感器系列及Polaroid6500驱动模块两套。
系统计划在实验室内实现小范围测距试验,测试距离约在20cm~2m以内(系统的实际测量范围能力为20cm~10m以内),通过单片机的软件编程控制计划进行单传感器单目标测量、单传感器双目标测量、双传感器单目标测量、双传感器双目标测量等多种测量模式(所谓单/双目标是指传感器工作一次测出一/两个目标结果的测量方式;
单/双传感器是指只有一个传感器工作/两个传感器同时工作的测量方式)。
测量模式的选择与控制实现是由PC机完成,单片机负责执行命令并进行目标测量,将测出的距离结果,发送给PC机,并将测距结果进行LED显示,显示电路采用动态扫描显示,通过单片机编程将得到的传感器测得距离信息并行输入送至4位LED数码管进行显示,LED由8位数据/地址锁存器74LS273驱动,第一位数码管数据为该路传感器的信息,后三位数码管显示的数据XXX,表示由该路传感器测得的距离为XXXcm。
系统工作过程大体如下:
系统模块上电后,单片机AT89C51先把P1.0(或P1.3)置0,低电平信号通过反相器,给传感器的INIT引脚送入高电平信号,以启动超声波传感器1或超声波传感器2发射超声波,同时启动内部定时器T0开始计时。
由于设计采用的超声波传感器是收发一体的,所以在发送完超声波脉冲后,当发出的超声波碰到障碍物时会返回到超声波传感器产生回波信号(ECHO),回波信号(ECHO)经反相器连接到单片机AT89C51的INT0和INT1引脚,触发外部中断,同时记录此刻计数器T0的计数值,计数器所计的数据就是超声波所经历的时间t。
拨码开关用来设定现场温度T以得知T温度下声速c(即作出温度补偿),通过D=ct/2就可以得到传感器与障碍物之间的距离D,然后再将测距结果送至PC机及LED进行显示。
关于单/多目标的测量问题前文中介绍Polaroid6500系列超声波传感器测距驱动模块的工作方式时已作出相应解释,此处不再赘述。
此外本测距系统所使用的超声波传感器及其声波发射接收电路驱动模块为已提供的现有实物。
3.2单片机控制超声波传感器声波收
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