超声波测距应用.docx
- 文档编号:8093230
- 上传时间:2023-01-28
- 格式:DOCX
- 页数:27
- 大小:394.53KB
超声波测距应用.docx
《超声波测距应用.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《超声波测距应用.docx(27页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
超声波测距应用
摘要
分析了汽车倒车防撞系统的基本设计原理以及目前国内外此类防撞系统存在的问题,较详细的介绍超声波测距系统以及根据该系统设计原理、方法和步骤,研制的汽车倒车防撞报警器。
这种报警器在汽车倒车过程中达到极限位置的时候,能自动检测车尾障碍物的距离并发出声光警报,提醒司机刹车。
本设计利用超声波传感器进行信号的发射和接收,包括发射、接受以及报警电路三个部分。
超声传感器的主要元件是采用压电元件锆钛化铅,具有很强的方向性,报警电路部分是利用声光报警器,将信号传递之后,可实现声音报警,本设计利用国内生产假的通用元件,成本低,性能可靠。
有利于推广。
关键字:
超声波,防撞,汽车倒车,报警器,传感器。
目录
第1章绪论..........................................................................................................................3
1.1超声波检测技术发展综术...................................................................................................................3
1.2研究的目的及意义.............................................................................................................................3
第2章超声波测距................................................................................................................4
2.1超声波传感器的介绍.........................................................................................................................4
2.2超声波测距的原理及实现................................................................................................................5
第3章单片机的测距系统...................................................................................................................6
3.1单片机的选择.....................................................................................................................................6
3.2超声波发射与接受电路设计..........................................................................................................7
3.3显示与报警单元方案设计.................................................................................................................17
3.3.1系统显示电路.................................................................................................................................17
3.3.2系统报警电路...........................................................................................................18
3.4单片机复位电路.............................................................................................................................19
3.5稳压电源.........................................................................................................................20
第4章系统的硬件及软件设计..........................................................................................21
4.1单片机AT89C51介绍..........................................................................................................................21
4.2运算放大器...........................................................................................................................................24
4.3探头UCM介绍....................................................................................................................................25
4.4系统软件设计.......................................................................................................................................25
4.5主程序....................................................................................................................................................27
第5章系统调试与优化....................................................................................................30
5.1发射器探头对接收器探头的影响......................................................................................................30
5.2补偿温度.............................................................................................................................................30.
5.3相关优化.............................................................................................................................................31
第6章参考文献..............................................................................................................32
第1章绪论
1.1超声波检测技术发展综述
众所周知,关于超声波的研究起始于1876年,这是人类首次有效产生的高频声波,这些年来,随着超声波技术的不断深入,再加上其具有高精度,无损,非接触等优点,超声波的应用变得越来越普及,多年来已在一些领域的要应用,而用于汽车防装却是近年的事情。
这主要原因是传统的超声波传感器不能达到汽车行业的特殊要求。
利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视的生物作为防御以及捕捉猎物的生存手段,也就是有生物体发出而不被人们所听到的超声波,借助空气媒质传播由被呆捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍物位置的方法。
由于超声波的速度相对于光速要小得多,其传播时间就比较容易检测,并且易于定位发射,方向性好,轻度好控制,因而人类采用仿真技能利用超声波测距。
超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。
汽车倒车防撞测距报警器,是我国八·五期间需重点开发的重大科研项目之一,也是汽车六大类汽车电子产品中的一种。
以往的汽车倒车报警器可分为四大类,即嘀嘀声加闪光,音乐声加闪光,语言声加闪光和倒车至危险距离(如015m)时发出报警声的超声波倒车报警器。
本研究综合了第3、4类报警器各功能,并将第4类报警器加以改进、发展,使其不仅可发出警告行人的语言声,而且还能在整个倒车过程中自动测量车尾与最近障碍物之间的距离,并用数字显示出来,在倒车至极限安全距离(如016m)时,会发出急促的警告声,提醒驾驶员注意刹车。
另外当蓄电池电压过低时,还会发出声光警告,提醒驾驶员及时充电,以保证仪器及汽车正常工作。
1.2研究的目的及意义
本产品一旦问世,可望成为驾驶员,特别是货及公共汽车驾驶员的好帮手,可有效地减少或避免些后视野不良的大型汽车的如冷藏车、集装厢车、圾车、食品车、载货汽车、公共汽车等倒车交通事另外还特别适于夜间辅助倒车、倒车入库及进入停场停车到位,甚至还能防止盗贼扒车。
由于本仪器能多,成本低廉,性能优良,目前处于国内领先水又是国家八·五重点开发项目,市场极其广阔,对高我国汽车电子工业水平,具有较大的实际意义。
第2章超声波测距
2.1超声波传感器的介绍
超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变同频率的其他形式的能的器件。
目前常用的超声传感器有两大类,即电声型与流体动力型。
电声型主要有:
1压电传感器;2磁致伸缩传感器;3静电传感器。
流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。
由于工作频率与应用目的不同,超声传感器的结构形式是多种多样的,并且名称也有不同,例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头,而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。
压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。
探头由压电晶片、楔块、接头等组成,是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件,是超声波检测装置的重要组成部分。
压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。
属于晶体的如石英,铌酸锂等,属于压电陶瓷的有锆钛酸铅,钛酸钡等。
其具有下列的特性:
把这种材料置于电场之中,它就产生一定的应变;相反,对这种材料施以外力,则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。
所以,只要对这种材料加以交变电场,它就会产生交变的应变,从而产生超声振动。
因此,用这种材料可以制成超声传感器。
传感器的主要组成部分是压电晶片。
当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动,即可发射声脉冲,是逆压电效应。
当超声波作用于晶片时,晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号,是正压电效应。
前者用于超声波的发射,后者即为超声波的接收。
超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。
这种超声传感器需要的压电材料较少,价格低廉,且非常适用于气体和液体介质中。
在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时,根据压电效应,就会使压电陶瓷晶片产生机械变形,这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。
也就是说,在压电陶瓷晶片上加有频率为f0交流电压,它就会产生同频率的机械振动,这种机械振动推动空气等媒介,便会发出超声波。
如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用,这将会使其产生机械变形,这种机械变形是与超声机械波一致的,机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的,超声波发内部结构如图2.1所示,它有两个压电晶片和一个共振板,当它的两极外加信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并共振板振动,便产生超声波。
反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转化为电信号,这时它就成为波传感器。
压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率,即中心频率f0。
发射超声波时,在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。
这样,超声传感器较高的灵敏度。
当所用压电材料不变时,改变压电陶瓷晶片的几何尺寸,就常方便的改变其固有谐振频率。
利用这一特性可制成各种频率的超声传感器超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线属壳及金属网构成,其中,压电陶瓷晶片是传感器的核心,锥形辐射喇叭使和接收超声波能量集中,并使传感器有一定的指向角,金属壳可防止外界力压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。
金属网也是起保护作用的,但不影响
与接收超声波。
2.2超声波测距原理及实现
超声波的指向性强,能量消耗缓慢,遇到障碍物后反射效率高,是测距的良好载体。
测距时由安装在同一位置的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收,由定时器计时。
首先由发射器向特定方向发射超声波并同时启动定时器计时,超声波在介质传播途
中一旦遇到障碍物后就被反射回来,当接收器收到反射波后立即停止计时。
这样,定时器就记录下了超声波自发射点至障碍物之间往返传播经历的时间t(s)。
由于常温下超声波在空气中的传播速度约为340m/s,所以发射点距障碍物之间的距离为:
S=340t/2=170t
(1)
由于单片机内部定时器的计时实际上是对机器周期T机的计数,设计中时钟频率fosc取12MHz,设计数值N,则
T机=12/fosc=1μs,t=NT机=N×10-6(s)
S=170×N×T机=170×N/106(m)
或S=17×N/103(cm)
(2)
程序中按式
(2)计算距离。
可以看出主要部分有:
(1)供应电能的脉冲发生器(发射电路);
(2)使接收和发射隔离的开关部分;
(3)转换电能为声能,且将声能透射到介质中的发射传感器;
(4)接收反射声能(回波)和转换声能为电信号的接收传感器;
(5)接收放大器,可以使微弱的回声放大到一定幅度,并使回声激发记录设
备;
(6)记录/控制设备,通常控制发射到传感器中的电能,并控制声能脉冲发射到记录回波的时间,存储所要求的数据,并将时间间隔转换成距离。
在超声波测量系统中,频率取得太低,外界的杂音干扰较多;频率取得太高,在传播的过程中衰减较大。
故在超声波测量中,常使用40KHz的超声波。
目前超声波测量的距离一般为几米到几十米,是一种适合室内测量的方式。
由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性,具有很高的抗干扰性能。
距离测量系统常用的频率范围为25KHz~300KHz的脉冲压力波,发射和接收的传感器有时共用一个,或者两个是分开使用的。
发射电路一般由振荡和功放两部分组成,负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串,并由传感器转换成声能发射出去;接收放大器用于放大回声信号以便记录,同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号,接收放大器要有足够的频带宽度;收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号;记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录
发射的瞬时及接收的瞬时,并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。
第3章单片机的测距系统.
3.1单片机的选择
单片机种类很多,根据本系统需要实现的功能,及够用、好用的原则,本文选择功耗低、性能高的AT89C51单片机。
该单片机内含4kB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器(RAM)。
其具有40个引脚,32个外部双向输入输出(IO)端口,同时内含2个外中断口,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口。
在编程方面,AT89C51既可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。
其将通用的微处理
器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
汽车倒车防撞报警系统结构
3.2超声波发射与接受电路设计
超声波发射与接收电路是整个系统的重要部分,因此确定一种好的设计方案关系整个系统的精确性和安全可靠性。
本文通过多种方案比较,以达到最佳方案确定。
设计方案一:
由施密特振荡器和数字功放电路组成,由P1.0口发出的同步脉冲信号如图3.1。
它启动振荡器,输出40KHz的高频信号,经整形及功放电路,加至发射换能器,发出40kHz的超声波。
接收电路主要由回波放大接收及比较控制电路组成,如图3.1所示。
图3.1接收控制及接口电路
初始,比较器A1同相端已经通过调整Rr,使其电压略高于2.5V。
因此A1应输出高电平,但由于D1相位作用,A1输出低电平,即RS触发器的
=0,Q=1,
=1,,
=0。
当P1.0发出启动信号,在A点形成正脉冲,经N1反相,
=0,D1相位释放,
=1,Q=0,
=1(正跳),T0计数器开始计数。
脉冲过后,
=1,
=1,Q=0,
=1。
回波信号经放大滤波,送至比较器A1的反相端,它是叠加在2.5V电压上的交变40kHz的信号。
它的前沿使A1输出低电平。
=0,
=1,Q=1,
=0(负跳),即
获得负跳沿信号,CPU响应中断,T0计数停,计数值N1送存RAM。
由于发射探头和接收探头都是平行放置且距离较近,发射探头发射超声波时,接收探头会引起强烈的感应信号,因此必须将其隐去。
当P1.0输出启动信号,主控同步脉冲加至比较器A2时,A2输出一个远大于2.5V的电压,经过D2降压后约为7.5V左右,加至A1同相端,又C2的延迟作用,A1同相端产生一定宽度和高度的方波,它的幅度和宽度均大于发射串扰信号,A1输出端即RS触发器的端仍为高电平,这样串扰信号将被隐去。
这段时间称为盲区,约2ms。
设计方案二:
40KHz的超声波发送脉冲信号由单片机的P1.0口送出,发出一系列的脉冲群,每一个脉冲群的持续时间大约为0.5ms左右。
信号经过三极管放大,再经过阻抗匹配电路即变压器(变压器输入输出比为1:
10)后,驱动超声波发射头,发射换能器两端就加上了高电压,内部的压电晶片开始震动,经过压电换能器将发出40kHz的脉冲超声波。
当超声波遇到障碍物时就会产生反射波,发射波返回到超声波传感器上,尽管发射部分的脉冲电压比较高,但是由回波引起的接受压电晶片产生的射频电压幅度近距离有几毫伏,远距离还不到几毫伏,由于在较远距离的情况下,声的回波很弱,因而转换为电信号的幅值也很小,为此要求将信号放大6000倍左右。
信号经过放大整形电路产生一个负脉冲信号,使单片机产生中断。
在接收端第一级,要求其放大倍数为了C945这62倍左右,所以选择只三极管,达到了放大倍数。
第二三级选用了一枚集成放大器NE5532,它集成了两个放大器,可达到预定放大倍数。
设计方案三:
1、发射电路
发射电路由555多谐振荡器和数字功率放大器组成。
采用555多谐振荡器可以实现宽范围占空比的调节,并且电路设计简单占用面积小。
如图4.2所示,由单片机.P1.口发出同步脉冲信号,该同步脉冲启动多谐振荡器,使其输出20KHz
的高频电压信号,经过整形及功放电路加至超声波换能器探头,根据逆压电效应,产生振动频率为20KHz的超声波。
2、接收电路
接收电路主要由回波放大接收电路及比较电路组成。
如图3.3所示,首先调节可调电阻使比较器A1同相端电位高于2.5V。
由于D1输出低电平,而反相器N输出高电平,所以有RS触发器的=0,=1,Q=1,=0当P1.0发出启动信号(如图3.2中的
(1)所示)经过微分电路形成的同步脉冲信号通过反相器N的反相功能,=0,D1箝位释放=1,Q=0,=1(正跳变),T0计数器开始记数,脉冲经过之后==1,Q=0,=1。
回波信号经过放大滤波送至比较器A1的反相端,它是叠加在2.5V上的频率为20KHz的高频电压信号。
如图3.2中的(3)所示,其前上升沿使A1输出低电平,=0,=1,Q=1,=0(负跳变)即获得负跳沿信号,CPU响应中断请求,使T0计数器停止计数,记数值N送存RAM。
3、盲区干扰信号的消隐
通常发射换能器和接收换能器都是平行放置且距离较近。
当发射探头发射超声波时接收换能器接收到的第一个波是串扰直通波,也称泄漏波它是近源的波束旁瓣或通过绕射由发射换能器直接到达接收换能器而造成的。
因此,通常接收探头会引起强烈的感应信号。
所以必须将其隐去,当P1.0输出启动信息,同步脉冲加至比较器A2时,A2输出一远大于2.5V的电压,经D2降压后大约等于7.5V,加至A1同相端,由于C1延迟作用,A1同相端将产生一定宽度和高度的方波,如图3.2中的(4)所示。
它的宽度和幅度都大于发射串扰信号,A1输出端即RS触发器S端仍为高电平,这样串扰信号将被隐去,这段时间称为盲区,约2毫秒。
图3.2测距脉冲图
图3.3超声波回波接收电路
设计方案四:
1、发射电路
发射电路由脉冲产生电路和发射电路组成。
脉冲产生电路的主要任务是产生40KHz脉冲电压。
它由与非门和电阻电容构成振荡电路,由单片机P1.1口控制其是否工作。
其电路图如图3.4所示。
脉冲产生电路的输出电压经脉冲变压器升压后输出到超声传感器。
其中,脉冲变压器对脉冲电压变换值的大小直接影响测距范围,应尽量提供脉冲变压器副边电压幅值。
2、接收电路
接收电路的主要任务是检测回波,并向单片机发出中断以停止计时。
接收电路设计的好坏直接影响超声波在空气中传播时间的测量。
接收部分电路由检波电路、滤波放大电路和整形电路组成。
检波电路拾取回波中的正半波,以便后级电路放大;整形电路把回波信号整理为单片机系统能够接收的信号并向单片机申请中断以停止计时。
接收电路的主体是滤波放大电路。
由于超声回波信号十分微弱并含有噪声,S/N较小,所以接收电路设置了两级高Q值的滤波放大电路。
滤波放大电路采用二阶带通滤波放大器,一级和二级滤波放大电路采用相同的结构和参数。
其电路如图3.5所示。
图3.5中,R11、R12、C13、C14、R15和运算放大器Amp1A组成了一级滤波放大电路;R21、R22、C23、C24、R25和运算放大器Amp1B组成了二级滤波放大电路。
图3.4发射部分电路
图3.5一次和二次滤波放大电路
发射接收
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 超声波 测距 应用