http://www.whguo.com/article/358.htm
?超聲波傳感器測距系統(tǒng)
安全避障是移動機器人研究的一個基本問題。障礙物與機器人之間距離的獲得是研究安全避障的前提，超聲波傳感器以?其信息處理簡單、價格低廉、硬件容易實現等優(yōu)點，被廣泛用作測距傳感器。本超聲波測距系統(tǒng)選用了SensComp公司生產的Polaroid?6500系列超聲波距離模塊和600系列傳感器，微處理器采用了ATMEL公司的AT89C51。本文對此超聲波測距系統(tǒng)進行了詳細的分析與介紹。?
???????1、????超聲波傳感器及其測距原理?
???????超聲波是指頻率高于20KHz的機械波[1]。為了以超聲波作為檢測手段，必須產生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為?超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應[1]的原?理將電能和超聲波相互轉?
化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉換成電信號。?
???????超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（time?of?flight）[2]。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即
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???????1、??硬件電路設計
???????我們設計的超聲波測距系統(tǒng)由Polaroid?600系列傳感器、Polaroid?6500系列超聲波距離模塊和AT89C51單片機構成。
???????2.1??Polaroid?600系列傳感器????
???????此超聲波傳感器是集發(fā)送與接收一體的一種傳感器。傳感器里面有一個圓形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一層金屬薄膜，在其背面有一個鋁制的后板。?薄片和后板構成了一個電容器，當給薄片加上頻率為49.4kHz、電壓為300VAC?pk-pk的方波電壓時，薄片以同樣的頻率震動，從而產生頻率為49.4kHz的超聲波。當接收回波時，Polaroid?6500內有一個調諧電路，使得只有頻率接近49.4kHz的信號才能被接收，而其它頻率的信號則被過濾。
???????Polaroid?600超聲傳感器發(fā)送的超聲波具有角度為30度的波束角[3]，如圖1所示：
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?????????????????????????????????????????????????????圖1?波束角
???????超聲波傳感器既可以作為發(fā)射器又可以作為接收器，傳感器用一段時間發(fā)射一串超聲波束，只有待發(fā)送結束后才能啟動接收，設發(fā)送波束的時間為D，則在D時間內?從物體反射回的信號就無法捕捉；另外，超聲波傳感器有一定的慣性，發(fā)送結束后還留有一定的余振，這種余振經換能器同樣產生電壓信號，擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信?號的工作。因此，在余振未消失以前，還不能啟動系統(tǒng)進行回波接收，以上兩個原因造成了超聲傳感器具有測量一定的測量范圍。此超聲波最近可以測量37cm。
2.2??Polaroid?6500系列超聲波距離模塊????
???????Polaroid?6500系列超聲波距離模塊的硬件電路如圖2所示：
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????????????????????????????圖2?Polaroid?6500系列超聲波距離模塊的硬件電路
???????TL851是一個經濟的數字12步測距控制集成電路。內部有一個420KHz的陶瓷晶振，6500系列超聲波距離模塊開始工作時，在發(fā)送的前16個周期，陶?
瓷晶振被8.5分頻，形成49.4KHz的超聲波信號，然后通過三極管Q1和變壓器T1輸送至超聲波傳感器。發(fā)送之后陶瓷晶振被4.5分頻，以供單片機定時用。TL852是專門為接收超聲波而設計的芯片。因為返回的超聲波信號比較微弱，需要進行放大才能被單片機接收，TL852主要提供了放大電路，當TL852接收到4個脈沖信號時，就通過REC給TL851發(fā)送高電平表明超聲波已經接收。
???????2.3??AT89C51單片機????
???????本系統(tǒng)采用AT89C51來實現對Polaroid?600系列傳感器和Polaroid?6500系列超聲波距離模塊的控制。單片機通過P1.0引腳經反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當INT0引腳的電平由高電?平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經返回。計數器所計的數據就是超聲波所經歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。?超聲波測距的硬件示意圖如圖3所示：
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???????????????????????????????????????圖3?超聲波測距的硬件示意圖
???????3、系統(tǒng)軟件設計
???????系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示：
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????????????????????????????????????????圖4超聲波測距程序流程圖
???????工作時，微處理器AT89C51先把P1.0置0，啟動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時啟動內部定時器T0開始計時。由于我們采用的超聲波傳感器是收發(fā)一體?的，所以在發(fā)送完16個脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返回信號識別消除超聲波傳感器的發(fā)送信號，要檢測返回信號必須在啟動發(fā)射信號后2.38ms才?可以檢測，這樣就可以抑制輸出得干擾。當超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時表明信號已經返回，微處理器進入中斷關閉定時器。再把定時器中的數據經過換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。
???????4、實驗數據處理
???????由于受環(huán)境溫度、濕度的影響，超聲傳感器的測量值與實際值總有一些偏差，表1列出了本超聲測距系統(tǒng)測量值與對應的實際值：
???????表1超聲測距系統(tǒng)測量值與實際值?單位：cm
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???????從表中的數據可以看出，測量值總是比實際值大出大約7cm，經過分析原因主要有三個方面：第一方面，超聲波傳感器測得的數據受環(huán)境溫度的影響；第二方面，指令運行需占用一定的時間而使得測量的數據偏大；第三方面，為了防止其他信號的干擾，單片機開始計數時，驅動電路發(fā)送16個脈沖串。對于單個回聲的方式，當?
驅動電路接收到碰到障礙物返回的第四個脈沖時就停止計數，所以最終測得的時間比實際距離所對應的時間多出四個脈沖發(fā)送的時間。為了減小測量值與實際值的偏差，我們采用最小二乘法[4~5]對表1的數據進行修正。經過擬合，我們得到下面的方程：
????????????????y=1.0145x-9.3354??（其中：y為實際值，x為測量值）
???????修正后本超聲波測距系統(tǒng)測量值與實際值的對應關系如表2所示：
???????表2?修正后超聲測距系統(tǒng)測量值與實際值?單位：cm
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???????從修正后的數據我們可以看出，系統(tǒng)的測量誤差在±2%以內，滿足我們的測量要求。
???????5、結論
???????利用超聲波傳感器進行測距，其中主要的就是要保證在電路設計上一定要滿足電路工作的可靠性、穩(wěn)定性。經過實驗與分析，我們認為用6500系列距離模塊和600系列超聲波傳感器進行距離的測量簡單、經濟、可靠，測得數據的誤差比較小。上一頁：40kHZ超聲波發(fā)射接收電路大全下一頁：超聲波傳感器原理與應用關鍵字：超聲波傳感器?超聲波測距?超聲波傳感器測距系統(tǒng)?
超聲波測距 一、引言?
由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人研制上也得到了廣泛的應用。
為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。本文所介紹的三方向（前、左、右）超聲波測距系統(tǒng)，就是為機器人了解其前方、左側和右側的環(huán)境而提供一個運動距離信息。?
二、?超聲波測距原理?
1、?超聲波發(fā)生器?
為了研究和利用超聲波，人們已經設計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。?
2、壓電式超聲波發(fā)生器原理?
壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內部結構如圖1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。?
3、超聲波測距原理?
超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2?。這就是所謂的時間差測距法。?
超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。
測距的公式表示為：L=C×T
式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數值的一半)。
超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數量級。
由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們設計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。
超聲波測距誤差分析
根據超聲波測距公式L=C×T，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。
時間誤差
當要求測距誤差小于1mm時，假設已知超聲波速度C=344m/s?(20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344)?≈0.000002907s?即2.907ms。
在超聲波的傳播速度是準確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準的89C51單片機定時器能方便的計數到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內。
超聲波傳播速度誤差
超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關系，如表1所示。
已知超聲波速度與溫度的關系如下：
式中：?r?—氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為1.40，
R?—氣體普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，
M—氣體分子量，空氣為28.8×10-3kg·mol-1，
T?—絕對溫度，273K+T℃。
近似公式為：C=C0+0.607×T℃
式中：C0為零度時的聲波速度332m/s；
T為實際溫度(℃)。
對于超聲波測距精度要求達到1mm時，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進去。例如當溫度0℃時超聲波速度是332m/s,?30℃時是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將達到5m，測量1m誤差將達到5mm。
三、?超聲波測距系統(tǒng)的電路設計?
本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時，單片機選用8751，經濟易用，且片內有4K的ROM，便于編程。電路原理圖如圖2所示。其中只畫出前方測距電路的接線圖，左側和右側測距電路與前方測距電路相同，故省略之。?
1、40kHz?脈沖的產生與超聲波發(fā)射?
測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用UCM40的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號，這由單片機執(zhí)行下面程序來產生。?
PUZEL：?MOV?14H,?#12H；超聲波發(fā)射持續(xù)200ms?
HERE：?CPL?P1.0?；輸出40kHz方波?
NOP?；?
NOP?；?
NOP?；?
DJNZ?14H，HERE；?
RET?
前方測距電路的輸入端接單片機P1.0端口，單片機執(zhí)行上面的程序后，在P1.0?端口輸出一個40kHz的脈沖信號，經過三極管T放大，驅動超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHz的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200ms。右側和左側測距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口，工作原理與前方測距電路相同。?
2、超聲波的接收與處理?
接收頭采用與發(fā)射頭配對的UCM40R，將超聲波調制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?，經運算放大器IC1A和IC1B兩極放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567，內部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1R8C3，電容C4決定其鎖定帶寬。調節(jié)R8在發(fā)射的載頻上，則LM567輸入信號大于25mV，輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷請求信號，送至單片機處理。?
前方測距電路的輸出端接單片機INT0端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機INT1端口，同時單片機P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。部分源程序如下：?
RECEIVE1：PUSH?PSW
PUSH?ACC?
CLR?EX1?；關外部中斷1?
JNB?P1.1,?RIGHT?；P1.1引腳為0,轉至右測距電路中斷服務程序
JNB?P1.2,?LEFT?；P1.2引腳為0,轉至左測距電路中斷服務程序?
RETURN：SETB?EX1；開外部中斷1
0
工商網監(jiān)