超声波测距系统的应用设计.docx

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超声波测距系统的应用设计

前言

随着社会生产和科学的发展，智能机器人的研究越来越受到社会各界的广泛重视。

机器人学包括控制、传感技术、视觉和人工智能等多方面的知识，我们仅在控制和传感技术方面进行了初步的尝试，对一台微型电动车进行了改装，模拟轮式移动机器人，设计出基于单片机控制的移动机器人超声波测距控制系统。

在现场生产中，在某一段距离上用机器运输一定的物料至指定地点，运送机器如果具有自动避障的功能，会节省很大的成本和人力资源，提高工作效率的作用。

在很多现场中具有自动运行功能的小车很多，但是在小车行进的过程中可能会遇到障碍，于是研究具有自动避障功能的小车就很有意义了。

要解决自动避障问题，首先小车的"眼睛"即检测系统要能很好的反应小车的距离及位置，常用的距离检测系统有红外检测，超声波检测，差动传感器系统等等[1]。

这里用到的是超声波检测系统。

超声波具有穿透性强，具有一定的方向性，传输过程中衰减较小，反射能力较强的优点。

这种采用微型单片机控制的自动避障小车具有一定的智能，能识别一般大小的障碍物体，并具有自动避障的能力，具有快速响应的能力。

1.超声波测距仪

1.1检测技术

1.1.1检测系统的组成

检测技术几乎已应用于所有的行业，它是多学科知识的综合应用，设计半导体技术、激光技术、光纤技术、声控技术、遥感技术、自动化技术、计算机应用技术，以及数理统计、控制论、信息论等近代新技术和新理论。

检测系统的最终目的就是从测量对象中获取反映其变化规律的有用信息，为了实现此目的，一个广义的检测系统一般由激励装置、测试装置、数据处理与记录装置所组成。

为了保证测量结果的准确性，上述各环节的输出量与输入量之间应保持一一对应和尽量不失真的关系，这种关系通常是线性关系，而且尽能地减少或消除各种干扰，使有用信号进入系统。

1.2传感器

1.2.1传感器的定义

传感器是信息检测的必要工具，是生产自动化、科学测试、计量核算、检测诊断等系统中必不可少的基础环节[6]。

通常是检测系统与被测对象之间的接口，处于检测系统的输入端，其性能直接影响着整个检测系统，对检测精确度起着主要作用。

一般来讲，自动检测装置中最初感受被测量并将它转换为可用信号输出的器件叫传感器，在工程上也称为探测器、换能器、测量头。

传感器也可定义为能把特定的被测信息（物理、化学、生物等）按一定的规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。

1.2.2传感器的基本组成部分

传感器由敏感元件、转化元件和其他辅助元件组成。

图1-2传感器电路原理图

Fig1-2sensorcircuitdiagram

1.2.3传感器的分类

传感器的分类

由于工作原理、测量方法和被测对象的不同，传感器的分类方法也不同。

目前，采用较多的分类方法如下。

按信号变换的特征、用途、工作的物理基础、能量关系、测量方式、输出信号的形式等

1.2.4传感器的性能参数及要求

传感器的优劣，一般通过若干主要性能指标来表示。

除了前面已在一般检测系统中介绍的特征参数如灵敏度、线性度、分辨率、准确度、频率特性等特性外，还常用阀值、漂移、过载能力、稳定性、可靠性、以及与环境相关的参数、使用条件等。

不同的传感器常常根据实际需要来确定其主要指标参数，有些指标可以低些或可不考虑。

下面简单介绍一下阀值、漂移、过载能力、稳定性、重复性的定义，可靠性的指标内容以及传感器工作要求。

1.3国内外超声波测距仪的现状

1.3.1国外测距仪的现状

国外测距仪表早期大多采用机械原理，但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且总结了许多新的测量原理[8]。

在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，结构有了很大的改善，功能有了很大的提高。

从国外测距仪表发展的技术动向看，当前国外测距仪新技术普遍应用。

普遍采用电子设计自动化（EDA）、计算机辅助测试（CAT）,数字信号处理（DSP）、专用集成电路（ASIC）等。

呈现出

（1）智能化测距仪;

（2）非接触测量方式的测距仪;（3）新原理的小型测距仪。

1.3.2国内测距仪的现状

国内的早期的测距仪也是基于机械原理的，但是随着世界的电子技术的发展，国内位移测距仪在各方面不甘落后，甚至在某一方面科技含量更高。

在国内有超声波测距仪，精度不高，而且用于多方向的测距仪也不多见，以下是几种超声波测距仪。

1）深圳莱德电子超声波测距仪

测量范围：

0.5m–13.0m

测量精度：

（1cm+0.5%

距离）

分辨率：

1cm

2）北京友邦公司SonicTape

测量范围：

0.6m-10m

精确度：

05%

分辨率：

0.01m

总结:

综合国内外超声波测距仪，精度都不高，国内分辨率是lcm，存在盲区，技术保密。

本文设计的测程较之前面所述的超声波测距仪稍短，但精确度高，误差为士3cm，分辨率是lemma，且没有盲区。

在测量原理中，激光测距仪测程远，但是在自动避障机器人中，受光线影响不适宜采用激光原理测距。

人工检尺方式不可能，雷达造价高，Y射线需事先定性定量，因此，在自动避障机器人中只能用超声波测距原理来设计测距仪。

2.超声波测距仪测距原理及总体设计

本章分析超声波测距仪的测距原理，及讲述几种检测方法。

重点完成对超声波测距仪的总体设计。

2.1超声波测距仪测距原理

2.1.1测距原理

距离公式:

距离（S）=时间（T）X速度（V）。

在设计时，实时得出时间和速度，再进行相乘运算，得出距离。

利用超声波测的时间方法有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。

相位检测法虽然精度高，但检测范围非常有限，声波幅值检测法易受反射波影响。

本超声波测距仪采用渡越时间检测法。

超声波测量原理图如图2.1

在超声波发射器两端输入10个40KHz脉冲串，脉冲电信号经过超声波内部振子，振荡出机械波，通过空气，介质传播到被测面;由被测面反射，由超声波接收器接收，在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号。

传播的渡越时间即为超声波发射器发出的超声波时刻与经介质反射传播到接收器时刻差。

如图2.1所示，测量发射点到被测物面到接收点距离2s，超声波的传播速度约为V=344m/s（20℃时），依据公式S=（1/2）VXT，得出距离S。

渡越时间测量法:

1直接计时法

2相位法

2.1.2超声波测距仪的理论分析

超声波是机械波，在介质中传播是受介质影响的，下面介绍超声波在空气介质中的传播特点[2]。

声波概述如下：

在弹性媒质中，如果波源所激起的纵波的频率在20Hz到20,OOOHz之间，就能引起人的听觉。

在这一频率范围内的振动称为声振动，声振动所激起的纵波称为声波。

超声波在实际介质中传播时，其能量将随距离的增大而逐渐减小，称为衰减。

引起衰减的原因大致有三个:

1）由声束扩展引起的衰减。

2）由散射引起的衰减。

3）由介质的吸收引起的衰减。

由定性分析，超声波被混泥土等墙面反射，只需考虑反射波，不考虑透射波。

超声波方向性强，扩散少，多次被反射，但多次反射的反射波不易被超声波接收器接收，可以不予考虑。

折射波不会被接收，也不予考虑。

声波理论分析结论:

超声波在传播过程中存在能量损耗，波束多种路径传播，存在着多种干扰信号，但接收器一般只能接收到被被测面垂直反射的信号，因为这个信号最强，因此，也就滤掉了其它回波等干扰信号。

使正确地接收正确信号成为可能。

时间由单片机定时器TO得到。

超声波测距仪己经应用于某些领域，与传统的测距仪相比，它具有原理简单，易于控制，且具有非接触测量、价格低廉等优点。

超声波测距仪的接收器可能接收到三种干扰信号:

1）面反射的信号；

2）侧面物体漫反射的信号；

3）直达信号，即从超声波发射器直接接收信号。

当三种信号幅值足够大，放大后淹没了有用信号时，将会使处理器产生误解，输出错误结果。

因此，设计中需避免此类信号进入超声波接收器，或者进入接收器后滤掉，或者处理器及时辨识，不予处理。

处理方法在第六章抗干扰中介绍。

超声波测距仪理论分析结论:

利用超声波传感器及设计的硬件电路，可以及时辨识有用的超声波回波信号，利用单片机计时，得时间，时间与速度相乘，得距离。

利用超声波测距方便快捷有效，具有可行性。

2.2超声波传感器工作原理

2.2.1超声波传感器基本结构及工作原理

利用超声波感知或检测物体，有非破坏性、遥控性、实时性、可穿透性等优点，在许多方面体现了独到之处。

很早以前，人们便掌握了超声波探伤与声纳的技术。

近年来，超声波的波长范围己达

m级，频率已扩大到GHz领域，分辨率达

m量级的超声波显微镜已实用化。

在这种频率范围，超声波敏感元件成为薄膜状，与传统的形状大相径庭，它的进步将对电子学的发展起重要作用。

人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器:

机械方式和电气方式产生超声波发生器。

实质上，超声波发生器即是超声波换能器，它将其它形式的能量转换成超声波的能量（发射换能器来完成）和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量（接收换能器来完成）。

超声波传感器是由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成。

其中，压电陶瓷品片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波的能量集中，并使传感器有一定的指向角。

金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损害，金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。

2.2.2超声波传感器的工作方式

超声波传感器的基本特性有频率特性和指向恃性。

1频率特性

下图是超声波发射器的频率特性曲线。

图中，f。

为超声发射器的中心频率，在f。

处，超声发射器所产生的超声机械波最强，也就是说在f。

处所产生的超声声压能级最高。

而在f。

两侧，声压能级迅速衰减。

因此，超声波发射器一定要使用非常接近中心频率f。

的交流电压来激励（或称驱动）。

如图2.3

2指向特性

指向特性用指向图表示。

超声传感器的指向图是由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是

时声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。

超声传感器的指向角一般为

。

2.3超声波测距仪的总体设计

2.3.1总体设计思想

超声波测距仪是根据“回波测距”的原理设计。

由超声波的发射器发射超声波，超声波接收器接受回波。

测出从超声波发射脉冲串时刻到接受回波信号时刻差，超声波在同温同介质中的传输速度由测温系统得知，将时刻差与声速相乘，得出距离，并显示。

四方向轮流测距，软件处理，超声波测距仪的总体设计框图如图2.4所示。

超声波测距仪由硬件和软件两部分组成。

硬件主要包括8051单片机、复位电路、超声波发射电路、超声波接收电路、静态显示电路、测温电路等、换向通道选择部分、温度检测部分;软件部分主要包括系统初始化模块、超声波驱动及信号处理模块、换向模块及显示模块、喂狗模块、温度转换测量模块。

软件采用模块化设计思想，可使程序设计思路清晰，便于调试。

为了提高系统的稳定性，采用了一些抗干扰措施。

如采用看门狗电路防止系统进入死循环，对信号的处理采用了放大、滤波等措施。

软件处理辅助各硬件部分工作。

2.3.2工作过程

启动超声波测距仪测距时，工作过程如下：

1）由单片机发出40KHz的脉冲串，每10个脉冲为一串；

2）脉冲串通过超声波发射电路驱动超声波发射换能器发出超声波；

3）单片机在发送脉冲的时刻开始计时；

4）超声波遇到障碍物后的回波被超声波接收换能器接收，其输出的正弦波经过两级放大；

5）再经过电压比较器，下降沿中断信号中断单片机的计时；

6）读THOTLO时间值；

7）接收实时温度的声波速度值，从串口接收；

8）时间x速度，数据计算；

9）显示；

10）满足条件进入自动避障程序，重复1.

3.系统结构及硬件设计

本章阐述了超声波测距仪的硬件设计思想，论述了设计中用到的器件，重点讲述了对硬件的设计和完善其功能。

3.1超声波测距仪的硬件设计思想

按设计要求，根据超声波测距原理，以8051单片机系统为核心，开发超声波测距仪。

它的各部分电路的说明如下。

18051单片机系统是超声波测距仪的核心部分，主要任务:

1）控制一个4KHz的脉冲驱动振荡电路，启动振荡电路工作，振荡电路振荡出与超声波发射器的固有频率相同频率，使换能器能最大效率工作;

2）延时程序延时一个4KHz的脉冲;

3）T1工作在方式2，自动装载，实现串口通讯，波特率2400bit/s晶振频率12MHz;

4）TO计时，工作方式一;

5）根据渡越时间与串口接收的速度数值相乘，进行有关参数计算得出距离;

6）数据的显示;

7）软件除干扰。

2超声波发射电路作用是将振荡电路振荡出40KHz的脉冲信号，信号幅值18V（可调节），脉冲信号将驱动超声波发射传感器，发射超声波。

3超声波接收电路主要包括微弱信号放大、电压比较中断信号输出等部分。

它是用来对接收到的回波进行放大和整形，即将回波信号转换成单片机的中断信号。

4换向通道选择电路。

5温度测量电路是实时测量出测量时空气中的温度，再将实时温度换成实时的速度，以保证测量距离的精度。

6根据设计要求，距离要通过显示器实时地显示出来。

7看门狗电路是由MAX5045芯片组成，主要完成对系统实时监测。

8电源电路。

该电路可以产生稳定的+5V和可调的电压+5

+37V.

3.28051单片机系统

8051单片机系统由8051单片机及其外围电路组成，是整个超声波测距仪的核心电路。

8051是属于MCS-51系列中的产品，MCS-51是一种低功耗、高性能的含有4K字节只读存储器（FPEROMReadOnlyMemory）的8位微控制器系列，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与该系列其他新型单片机的指令系统和引脚完全兼容[4]。

3.3复位电路设计

计算机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作[9]。

复位电路目的:

在需要的时候，单片机复位，保证正常的工作循环。

如图3.2所示:

3.4电源电路原理图

电源电路目的:

给控制电路及其它电路提供电源。

电源设计是电路设计很重要关节。

它的稳定与否涉及到电路是否能稳定工作。

遵照要求需要一个+5V电压，一个+9V左右可调电压。

可调稳压电路原理图如图3.3

+5V电压也是利用三端稳压集成电路得到的，是7805芯片。

其用法和317差别不大，如图3.4所示。

3.5超声波发射电路设计

3.5.1超声波发射电路功能

发射电路目的:

为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号

依据电路需要，发射电路满足下列要求:

1）振荡电路振荡频率可调;

2）驱动能力较高;

3）I/O口控制.

3.5.2超声波发射电路原理图

超声波发射电路如图3.5所示。

发射电路有555振荡器，SR双稳电路，低频脉冲发射器，六分频器（除6电路）组成。

555振荡器输出端接换能器，换能器将电信号转换成机械波向空间发射。

3.5.3超声波驱动电路原理图

驱动电路目的:

为超声波发射器提供足够功率的脉冲信号。

驱动电路要求产生出具有一定功率，一定脉冲宽度和一定频率的超声电脉冲去激励发射器，由发射器将电能转换为超声机械波机械能。

驱动电路有多种方案

1）采用专用芯片驱动。

2）由分立元件组成的驱动电路，其价格便宜，元件普通，调试方便。

3）采用变压器提升电压，增加驱动能力。

4）采用非门并接提高芯片的驱动能力。

声波在空气中传播受空气介质影响，距离越大衰减越大。

为能接收远距离得回波，采取有效措施有:

1）增加驱动功率。

2）减小声波频率（频率越低，衰减越慢）。

3）设计合理的电路与负载功率匹配电路设计方便简单，为进一步增加驱动能力，并列的非门换成3个。

要求6个非门来自一个芯片上的非门，以保证信号上升沿下降沿的同步。

在非门输出的两端直接接上一个电容防止直流直接加载超声波发射器上而导致损坏。

驱动电路两端输出波形如图3.6

由第二章的讨论可以知道，测距仪所用的T/R40-16型超声波仪在频率40KHz,幅值9V（可调）的电压驱动下，各种性能最佳，所以通过单片机的P1.0管脚输出4KHz的脉冲信号给振荡电路。

由振荡电路送给驱动电路。

由于单片机Pi口的输出电压为5V，其驱动能力达不到要求，所以用了一个大功率的CMOS管CD4069来驱动超声波传感器的发射器。

它的工作原理是这样的:

几个非门并接，即可提供较大的驱动能力。

而且到发射器两端的是反向的，使得超声波的发射器得到足够的能量。

3.6超声波接收电路

3.6.1超声波接收电路功能

根据电路需求，需要接收放大电路满足以下要求:

1）微弱信号放大，放大倍数要求

。

2）波形整形。

3）实时选通不同方向的微弱信号口。

如图所示,不同方向的超声波接收器将接收到回波信号转换成电压信号（正弦波），信号经过两级放大以后，被送入电压比较器进行比较，电压比较器输出的方波信号直接输入INTO中断口，该低电平作为AT89S52外部中断0的中断信号使AT89S52产生中断，在中断服务程序中停止计数器TO的计时，并计算出有关数据。

由此可见，接收电路完成了超声波回波信号的换向识别、转换、信号的放大和整形以及产生中断信号等功能。

如图3.7，进行波形处理:

如上图所示微弱信号一一一一放大信号一一一一整形信号。

3.6.2超声波接收电路原理图

放大电路目的:

微弱信号放大。

微弱信号需要放大整形，因此接收部分电路主要由放大电路、电压比较电路构成。

根据所用的T/R40-16型超声波传感器的资料以及在实验中所观察到的现象，超声波发射器在发射超声波时，有一部分声波从发射器直接传到接收器，这部分信号直接加到回波信号中，干扰回波信号的检测。

此问题在软件中处理。

超声波接收电路将接收换能器输出的微弱信号，进行滤波、放大、检波、整形，来得到大幅值电信号，供单片机INTO端口辨识。

接收电路可采用新产品专用集成电路，也可用传统的滤波、放大、检波、整形的电路。

过去均采用分立元件构成，现在可以用集成电路来代替。

1采用超声波微弱信号放大芯片，如图3.8

由集成运放Al、A2、A3来构成，R、C、为滤波网络，二极管、R9为检波网络。

2除了上述两种电路外，还可使用价格便宜的极普通的Mpc08C作为超声波的放大电路，采用独特的连接方式，可获得非常好的应用效果。

通过比较几个电路，用集成芯片固然能简单快捷，外围元件少，但是通过多级运放作为放大电路能改变放大倍数，能适应小信号的采集。

综合因素考虑，本论文中采用图3.9。

1）放大电路两级放大，放大倍数分别为45.5X45.5。

2）在此电路中R108并接接收器两端，其目的取微弱信号为电压信号，供放大电路放大，放大电路的输入阻值为18M，远远大于100K，灵敏度高，放大电压幅值为2.5士1V,士1V随距离远近而变化。

3）CA3140连接前后两极放大，阻两极间直流，通两极间交流。

4）运放芯片采用CA3140，供电电压为9V（可调），单电压供电。

5）在接收器的输入端接入2.5V是为了将微弱信号加载在2.5V使信号更有利于放大，除去不必要的干扰。

3.7微弱信号换向选通电路原理图

换向选通电路目的:

把传感器的模拟信号转换成数字信号传输到单片机，实时选通不同方向的微弱信号，能多方向测距。

在本测距系统中，单片机构成的实时控制和智能化仪器仪表系统，被测量对象是连续变化的模拟量（距离），这个模拟量必须先转换成数字量才能输入到单片机系统中进行处理。

而控制小车进行转向的模拟信号也需要由单片机处理过的数字量转换而来。

本文设计是四方向测距，其中前方测距显示，左右方向实时接受信号。

一个A/D转换器ADC0809实时选通不同方向信号。

ADC0809是8路8位逐次逼近型A/D转换CMOS器件，能对多路模拟信号进行分时采集和A/D转换，输出数字信号通过三态缓冲器，可直接与微处理器的数据总线相连接。

其主要特性如下：

1）分辨率为8位。

2）最大不可调误差小于

。

3）可锁存三态输出，能与8位微处理器接口。

4）输出与TTL兼容。

5）不必进行零点和满度调整。

6）单电源供电，供电电压为+5V。

7）转换速度取决于芯片的时钟频率，时钟频率范围是

KHz。

当时钟频率选为500KHz时，对应时间为128

。

ADC0809芯片地址码与输入通路的对应关系如表3.1所示。

表3-1地址码与输入通路的对应关系

Table3-1addresscodeandthecorrespondinginputpathwayrelations

地址码

对应的输入通路

ADDC

ADDB

ADDA

0

0

0

IN0

0

0

1

IN1

0

1

0

IN2

0

1

1

IN3

1

0

0

IN4

1

0

1

IN5

1

1

0

IN6

1

1

1

IN7

在此设计中，ADC0809用作通道选择开关，选择4个方向选择，改变ADDC、ADDB、ADDA的状态分别选择通道四个方向的超声波接收器的一个脚接在一起，另4只脚分别接在XI,X2，X3,X4.在A电平高低变化是分别是X1=X、X2=X、X3=X、或者X4=X，即表示在不同时刻分别接进的信号是来自不同方向信号，即满足了换向的要求。

如图3.22

图3-10四方向超声波接收器与模拟开关硬件连接图

Fig3-104directionultrasonicreceiverandanalogueswitchhardwareconnectiongraph

3.874LS164静态显示电路原理图

显示电路目的:

将不同方向的距离显示，提供信息。

显示电路有多种多样，可以用专用芯片来驱动显示，也可用单片机I/O口直接动态或者静态显示，本文中用专用芯片静态显示。

单片机将需要显示数据送相关的显示接口即可完成显示工作，简单方便，节省单片机的时间，保障主程序的正常运行。

如图3.11，显示电路是4个74HC164连接4个共阳极数码管（图中只画出2个），与8051I/O口P3.4P3.5相连接。

8051串行口作通讯使用。

数码管共阳极。

4.测温电路原理

4.1温度补偿目的

1补偿目的

声波在介质中的速度受介质、介质温度影响。

在本课题中，介质是空气，空气颗粒较小，对超声波衰减影响较小，忽视其带来的影响，但空气温度变化影响较大，不容忽视。

图4-1声速随温度变化关系图

Fig4-1velocityvariationwithtemperaturemap

4．2测温电路设计原理及原理图

测温电路目的:

实时测得介质温度，实时得出超声波在介质中的速度值。

传统的测温系统一般都是由温度传感器、A/D转换、单片机处理、显示驱动芯片和LED显示组成。

本测温系统则是用一线测温器件DS18B20与AT89C2051单片机共同组成了最小的测温系统[12]。

软件流程图4.2

5.软件设计

在本系统中，超声波探测的距离约为8m左右，太长距离的会使得反射超声波的信号变得很微弱，系统很难探测到反射信号。

为此，我们取系统的有效探测距离为8m。

本系统利用超声波主要完成检测和避开障碍功能，并且能显示距离。

测距是作为一个辅助功能，探测出一定范围内的距离，达到检测和避开障碍物的目的。

在设计时简化了硬件结构。

5.1软件设计总体框图

软件设计采用汇编语言编程，运用模块化程序设计思想，对不同功能模块的程序进行分别编程，以便移植或调用，这样使软件层次结构清晰，有利于软件的调试修改。

系统流程图如图5.2。

超声波测距系统软件部分各模块联系关系图如图5.1.模块中，单片机是主题，各模块关系平行，在程序执行中，顺序执行。