超声波测距装置设计文献综述.pdf

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1、 超声波测距装置的设计 摘要:为了使移动机器人能够自动避障行走，需要配备测距系统，使其能够及时获得距离障碍物的距离信息(距离和方向)。本文介绍的三向(前、左、右)超声波测距系统是为了给机器人提供一个运动距离信息，使其了解自己的前、左、右环境。分析了汽车倒车防撞系统的基本设计原理和目前国外此类防撞系统存在的问题，详细介绍了超声波测距系统和根据该系统的设计原理、方法和步骤开发的汽车倒车防撞报警器。这种报警器可以自动检测车后障碍物的距离，并在倒车过程中汽车到达极限位置时发出声光报警，提醒驾驶员刹车。本设计采用超声波传感器发射和接收信号，包括发射、接收和报警电路。超声波传感器的主要元件是锆钛酸铅，这是

2、一种压电元件，具有很强的方向性。报警电路部分采用声光报警，信号传输后可实现声音报警。本设计采用国产假通用元件，成本低，性能可靠。有利于推广。关键词:超声波，防撞，倒车，报警器，传感器 1.序 超声波因其指向性强、耗能慢、在介质中距离远等特点，常被用于测距，如测距仪、物位计等，都可以通过超声波来实现。超声波检测往往快捷方便，计算简单，易于实现实时控制，在测量精度上能够满足工业和实际的要求，因此在移动机器人的发展中得到了广泛的应用。2.发展历史 随着机器人技术在其诞生后短短几十年内的飞速发展，其应用也逐渐从工业生产走向人们的生活。如此广泛的应用使得提高人们对机器人的认识显得尤为重要。机器人通过其感

3、知系统感知前方障碍物与周围环境的距离，可以实现避障、自动寻线、测距等功能。与其他测距技术相比，超声波测距具有成本低、测量精度高、不受环境限制、应用方便等优点。结合红外线和灰色传感器，机器人可以找到线路并绕过障碍物。超声波因其指向性强、耗能慢、在介质中传播距离远等优点，常被用于测距。主要用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人、建筑工地和一些工业现场的研究，如距离、液位、井深、管道长度、流量等。超声波检测往往快捷方便，计算简单，易于实现实时控制，在测量精度方面能够满足工业应用的要求，因此得到了广泛的应用。本课题的研究具有很强的实用性和商业价值。超声波因其指向性强、耗能慢、在介质中距离远等特点

4、，常被用于测距，如测距仪、物位计等，都可以通过超声波来实现。超声波检测往往快捷、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度上能够满足工业和实际的要求，因此在移动机器人的发展中得到了广泛的应用。为了使移动机器人能够自动行走避开障碍物，需要配备测距系统，使其能够及时获得距离障碍物的距离信息(距离和方向)。超声波测距系统是为了给机器人提供一个运动距离信息，使其了解自己的前方、左右环境。为了研究和利用超声波，已经设计和制造了许多超声波发生器。一般来说，超声波发生器可以分为两类:一类是电动产生超声波，一类是机械产生超声波。电动方式包括压电式、磁致伸缩式和电动式等。机械方法包括高尔顿笛、液体笛和气流

5、旋转笛等。它们产生的超声波的频率、功率和声学特性不同，所以应用也不同。目前常用的是压电超声波发生器。3.AT89C51 单片机介绍 AT89C51 是一种低电压、高性能的 CMOS 8 位单片机，含有 4kB 的 Flash 只读程序存储器和 128 B 的随机存取数据存储器(ram)。该设备采用 ATMEL 的高密度和非易失性存储技术生产，与标准的 MCS-51 指令系统兼容，芯片上有通用的8 位 CPU 和闪存单元，以及功能强大的微型计算机。AT89C51 提供了一种高性价比的解决方案。AT89C51 是一种低功耗、高性能的单片机，具有40 个引脚和 32 个外部双向输入/输出(I/O)端

6、口。同时，它包含两个外部中断端口、两个16 位可编程定时器计数器和两个全双工串行通信端口。AT89C51 可以用常规方法编程，也可以在线编程。将通用微处理器与闪存特别是可重复擦除的闪存结合起来，可以有效降低开发成本。实际上，对象如图所示:3.1 图 3.1 AT89C51 单片机芯片 3.1 Proteus 软件介绍 Proteus 软件是英国 Labcenter 电子公司发布的 EDA 工具软件(该软件中国总代理为风向标电子科技)。它不仅具有其他 EDA 工具的仿真功能，还可以仿真单片机及外围设备。是目前模拟单片机及外围设备的最佳工具。虽然目前在国内的推广才刚刚起步，但已经受到了广大单片机爱

7、好者、从事单片机教学的教师以及致力于单片机开发和应用的科技工作者的青睐。Proteus 是国际著名的 EDA 工具(仿真软件)，从原理图布局、代码调试到 MCU 与外围电路的协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。目前是全球唯一集电路仿真软件、PCB 设计软件、虚拟模型仿真软件于一体的设计平台。其处理器型号支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430。2010 年将增加Cortex 和 DSP 系列处理器，其他系列处理器将不断增加。编译方面，也支持 IAR、Keil、MPLAB 等几

8、个编译器。3.2 Proteus 的特性 Proteus 软件具有其他 EDA 工具软件(例如 multisim)的功能。这些功能是:1.原理布局 2。2 的自动或手动接线。PCB 3。3 的革命性特征。SPICE 电路仿真 1。交互式电路仿真用户甚至可以实时使用 RAM、ROM、键盘、电机、LED、LCD、AD/DA、一些 SPI 器件和一些 IIC 器件。2.仿真处理器及其外围电路可以仿真 51 系列、AVR、PIC、ARM 等常见的主流单片机。也可以根据原理图直接在虚拟样机上编程，然后配合显示输出，看看操作后输入输出的效果。Proteus 建立了完整的电子设计开发环境，系统中配置了虚拟逻

9、辑分析仪和示波器。4.超声波传感器简介 超声波传感器是一种能将其他形式的能量转换成所需频率的超声波能量或其他形式的同频率能量的装置。目前常用的超声波传感器有两种，即电声型和流体动力型。电声类型主要有:1 压电传感器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。水力汽笛包括气体汽笛和液体汽笛两种。由于工作频率和应用目的的不同，超声波传感器有各种各样的结构和不同的名称。比如超声波传感器在超声波检测和诊断中一般称为探头，而工业上使用的流体动力传感器称为哨子或哨子。压电传感器是电声传感器的一种。探头由压电片、楔形体、接头等组成。它是超声波检测中最常用的实现电能和声能相互转换的传感器，是超声波检测装置的重要组成

10、部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷。晶体如应时和铌酸锂，压电陶瓷如锆钛酸铅和钛酸钡。它有以下特点:这种材料放在电场中，会产生一定的应变；相反，当外力施加到这种材料上时，由于应变，在其部分会产生一定方向的电场。因此，只要对这种材料施加交变电场，就会产生交变应变，从而产生超声波振动。因此，可以用这种材料制作超声波传感器。传感器的主要部件是压电芯片。当压电芯片被发出的电脉冲激励而振动时，可以发出声脉冲，这就是逆压电效应。当超声波作用在晶片上时，晶片受迫振动产生的形变可以转换成相应的电信号，这是一种正压电效应。前者用于超声波的发射，后者是超声波的接收。超声波传感器一般采用双电压陶瓷芯片。这种超声波传感器

11、需要的压电材料少，价格便宜，非常适用于气体和液体介质。当向压电陶瓷施加大小和方向变化的交流电压时，压电陶瓷晶片会根据压电效应发生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内与所施加电压的大小和方向成正比。也就是说，当压电陶瓷片上施加一个频率为f0 的交流电压时，就会产生同频率的机械振动，这个机械振动会推动空气等介质，就会发出超声波。如果超声机械波作用在压电陶瓷晶片上，会引起机械变形，这与超声机械波是一致的，机械变形会使压电陶瓷晶片产生与超声机械波频率相同的电信号。5.超声波测距原理简介 5.1 超声波发生器 为了研究和利用超声波，已经设计和制造了许多超声波发生器。一般来说，超声波发生器可以分

12、为两类:一类是电动产生超声波，一类是机械产生超声波。电动方式包括压电式、磁致伸缩式和电动式等。机械方法包括高尔顿笛、液体笛和气流旋转笛等。它们产生的超声波的频率、功率和声学特性不同，所以应用也不同。目前常用的是压电超声波发生器。5.2 压电超声波发生器的原理 压电超声波发生器实际上是利用压电晶体的共振来工作的。超声波发生器的结构如图 1 所示。它有两个压电晶片和一个共振板。当一个脉冲信号施加到它的两极，其频率等于压电芯片的固有振荡频率时，压电芯片就会发生谐振，并驱动谐振片振动，从而产生超声波。相反，如果两个电极之间没有施加电压，当共振板接收到超声波时，会压迫压电晶片振动，将机械能转化为电信号，

13、然后就变成了超声波接收器。5.3 超声波测距原理 超声波发射器向某个方向发射超声波，在发射时间的同时开始计时。超声波在空气中传播，途中碰到障碍物，就立刻回来。超声波接收器在接收到反射波后立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，可以计算出发射点与障碍物之间的距离(s)，即 s=340t/2。这就是所谓的时差测距法。超声波测距的原理是利用已知的超声波在空气中的传播速度，测量声波传输后被障碍物反射的时间，根据发射和接收的时间差，计算出发射点到障碍物的实际距离。可见超声波测距的原理和雷达是一样的。测距公式表示为:L=C T。其中 l 是测量的距离长度；c 是超

14、声波在空气中的传播速度；t 是测量距离传播的时间差(t 是从发送到接收的时间值的一半)。超声波测距主要用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。虽然目前的测距范围可以达到100 米，但是测量精度只能达到厘米量级。超声波具有易于定向发射、方向性好、强度容易控制、不需要与被测物体直接接触等优点，是一种理想的液体高度测量手段。液位测量的精度需要达到毫米级。但目前国内超声波测距ASIC 的测量精度只有厘米级。通过分析超声波测距误差产生的原因，将测量时差提高到微秒级，并用LM92 温度传感器对声波传播速度进行补偿，我们设计的高精度超声波测距仪可以达到毫米级测量精度。超声波测距的误差分析 根据超声波测

15、距公式 L=CT 可知，测距误差由超声波的传播速度误差和测量距离的传播时间误差引起。时间误差 当要求测距误差小于 1mm 时，假设已知声速 C=344m/s(室温 20)，忽略声速的传播误差。测距误差 s t (0.001/344)0.00002907s 为 2.907s 在超声波传播速度准确的前提下，只要测量距离传播时间的差分精度达到微秒级，就能保证测距误差小于 1mm。使用 12MHz 晶振作为时钟基准的 89C51 单片机定时器可以轻松计数到1s 的精度，因此系统中使用的89C51 定时器可以保证时间误差在1mm 的测量范围内。超声波传播速度误差 超声波的传播速度受空气密度的影响。空气的

16、密度越高，超声波的传播速度越快，空气的密度与温度密切相关。已知超声波速度和温度之间的关系如下:式中:r气体的定压热容与定容热容之比，对于空气为1.40。r气体的普适常数，8.314kgmol-1K-1K-1，M气体的分子量，空气为 28.810-3kgmol-1。T绝对温度，273K+T。近似公式为:C=C0+0.607T 其中:C0 是 332m/s 的声波在零的速度；t 是实际温度()。当要求超声波测距的精度达到 1mm 时，必须考虑超声波传播的环境温度。比如温度为 0时，超声波速度为 332 m/s，温度为 30时为 350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为 18 m/s，如果超声波

17、在 30的环境下，0下测量 100m 距离，测量误差会达到 5m，1m 的测量误差会达到 5mm。6.电路设计 超声波发射和接收电路是整个系统的重要组成部分，因此确定一个好的设计方案关系到整个系统的准确性、安全性和可靠性。本文通过多种方案的比较，确定最佳方案。方案 1:它由施密特振荡器和数字功放电路组成，端口 P1.0 发出的同步脉冲信号如图6.1 所示。它启动振荡器，输出 40KHz 的高频信号，通过整形和功放电路加到发射换能器上，发射 40kHz 的超声波。接收电路主要由回波放大接收和比较控制电路组成，如图 6.2 所示。图 6.1 接收控制和接口电路 图 6.2 接收控制和接口电路 最初

18、，比较器 A1 的同相端已经调整 Rr 使其电压略高于 2.5V，因此，A1 应该输出高电平，但由于 D1 相位的影响，A1 输出低电平，即 RS 触发器=0，Q=1，=1，=0。当P1.0 发出启动信号，在 A 点形成正脉冲，被 N1 反相，=0，被 D1 释放，=1，Q=0，=1(正跳变)，T0 计数器开始计数。脉冲后，=1，=1，Q=0，=1。回波信号经过放大和滤波后，送到比较器A1 的反相端，是一个叠加在2.5V 电压上的交流 40kHz 信号。其前沿使 A1 输出为低电平。=0，=1，Q=1，=0(负跳变)，即获得负跳变沿信号，CPU响应中断，T0 计数并停止，计数值 N1 送入 R

19、AM。由于发射探头和接收探头平行放置，相互靠近，当发射探头发射超声波时，接收探头会产生很强的感应信号，所以必须隐藏。当P1.0 输出启动信号并且主控制同步脉冲被施加到比较器 A2 时，A2 输出远大于 2.5V 的电压，其在 D2 降压后约为 7.5V。由于 C2 的延迟，A1 非相位端产生一定宽度和高度的方波，大于传输的串扰信号。A1 输出端，也就是 RS 触发器的端子，仍然处于高电平，所以串扰信号会被隐藏。这段时间称为盲区，大约 2ms。6.1 盲区干扰信号的消隐 通常，发射换能器和接收换能器平行放置并且彼此靠近。当发射探头发射超声波时，接收换能器接收到的第一个波就是串扰直通波，也称为泄漏

20、波。它是由声源附近的波束旁瓣或衍射直接到达接收换能器引起的。因此，通常接收探头会产生很强的感应信号。所以，一定是隐藏的。当P1.0 输出启动信息且同步脉冲施加到比较器 A2 时，A2 输出远大于 2.5V 的电压，该电压在被 D2 降压并施加到 A1 的非反相端后约为 7.5V。由于 C1 延迟，A1 的同相端会产生一个具有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传输的串扰信号，而 A1 输出端，也就是 RS 触发器的 S 端仍然处于高电平，这样串扰信号就会被隐藏。这段时间称为盲区，约为 2 毫秒。图 6.2 单片机的脉冲序列 总结 经过三周的资料复习，初步了解

21、了超声波测距的基本原理和硬件模块，从而了解完成本次毕业设计的关键问题，找到突破口。1.重点介绍单片机与各模块(芯片)的物理连接。2.熟悉 C 语言环境下单片机编程。3.学会使用proteus软件进行仿真。4.注重实践，最终做出实用的乐器。参考 1朱越秀。单片机原理与应用(第二版):科学，2004.2 1周兴华。手把手教你如何学习单片机(第一版):航空航天大学发行，2005年 4 月 3 Jun.先进力量发展指南(第一版):航空航天大学出版，2004年 6 月 4如虹。亚凡，单片机原理及应用:清华大学出版，2005年 4 月【5】自建。超声波测距仪的简易软硬件设计J.农业装备与车辆工程，2005，(4)。荀殿东。数字电路设计实用手册。:电子工业，2003年 8诉余案。阿尼西莫夫泰普洛夫。基于帕尔贴效应的单片机热电模块恒温系统J，2002 9耶格尔布伦特。如何排除电子秤的故障 J.粉末和散装工程。1995 10米汉乔安妮，穆尔林赛。默西塞德郡中小企业的供应链管理:利益和障碍J.TQM杂志。2008