超声波测距系统

1、 超射波测距系统设计1 应用背景 测距的原理和方法有很多，根据信息载体的不同可分为光学方法、无线电方法和超声波方法。随着电子技术的发展，先后出现了激光、超声波及红外线等非接触式测距方法。激光测距虽然测距精度高，操作简单，但是受环境的影响比较大，且系统检测维护不便，价格相对昂贵，一般多在军事领域应用。红外测距属于电磁波的一种，超声波是声波测距，实现起来更容易且不受电磁干扰影响，并且在同等距离的情况下，超声波的传播时间远大于红外，往返时间更易测量。超声波在测距方面具有以下突出的优点：(1)环境介质可为空气、液体或固体等，适用范围广泛；(2)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

2、扰强等恶劣环境中，可以降低劳动强度；(3)超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化； 由于超声波具有以上特点被广泛应用于测量物体的距离、厚度、液位等领域。在超声波探伤、自动泊车系统和倒车雷达系统中，超声波测距有其重要的应用。随着科学技术的发展，超声波测距技术在国防、汽车工业及日常生活中无处不在，因此被广泛应用于无损探伤，距离测量、距离开关、汽车倒车防撞、智能机器人等领域。2. 测量原理超声波探头主要由压电晶片、吸收块、保护膜组成。压电晶片多为圆板型，厚度为。超声波频率f与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，做导电的极板。吸收块的作用是降低晶片的机械品质，吸收

3、声能量。如果没有吸收块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续震荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。保护膜的作用是防止晶片与外界接触和摩损，并起声阻抗匹配作用。在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。就是探头接通电源后以一定的频率不断发出声波，当声波遇到障碍物时便会反射回来，反射回来的声波遇到探头就会对探头产生振动，从而产生相应的电压。利用超声波测量距离的原理如图l所示，主要由超声波发射、超声波接收与信号转换、温度传感器电路组成。简单描述为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

4、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并转化为电信号就立即停止计时。这样只要测出发送和接收的时间差t，即可求出距离：式中：C为超声波在空气中的传播速度。 在常温下，空气中的声速约为340ms。由于超声波也是一种声波，其传播速度C与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的，其与环境温度T()的关系式如下：C=331.4+0.61T图1 超声波测距系统框图3. 超声波发射电路发射部分电路如图2所示，主要由脉冲调制信号产生电路，隔离电路以及驱动电路组成，用来为超声波传感器提供发送信号。脉冲调制信号产生电路中通过单片机对 555定的复位(RESET)端的控制，使

5、555定时器分时工作从而生产生脉冲频率为40KHz，周期为30ms的脉冲调制信号，一个周期内发送10个脉冲信号。隔离电路主要是由两个与非门组成，对输出级与脉冲产生电路之间进行隔离。输出级由两个通用型集成运放TL084CN组成，由于超声波传感器的发射距离与其两端所加的电压成正比，因此要求电路要产生足够大的驱动电压，其基本原理就是一个比较电路，当输入信号 Vi>25V时，运放A的输出电压VA=+12V，运放B的输出电压VB=-12V，当输入信号Vi<2.5V时，运放A的输出电压 VA=-12V，运放B的输出电压VB=+12V，所以在超声传感器两端得到两个极性完全相反的对称波形，即VB=

6、-VA，所以加在超声波传感器两端的电压V=VA-VB=24VA，其两端的电压可达到24V，从而保证超声波能够发送较远的距离，提高了测量量程。图2 超声波传感器的发射电路4. 传感器接收中的信号转换电路接收部分的电路由放大电路、滤波电路、整形电路以及信号变换电路组成。由于超声波信号在空气中传播时受到很大程度的衰减，所以反射回的超声波信号非常的微弱，不能直接送到后级电路进行处理，必须将信号放大到足够的幅度，才能使后级电路对它进行正确的处理。信号变换电路主要将接收到的包络信号变换成单片机的中断触发信号。由包络检波电路、电压比较器和RS触发器组成。包络检波电路由二极管D3，电阻R5，和电容C1组成。电

7、压比较器由集成运放和电容电阻组成，为了消除发送探头的干扰信号，我们将单片机P12输出的信号加到电压比较器的同相端，它的波形是250s的高电平，和29750s低电平的方波，通过二极管D3将P1.2和比较器的正向端隔离。其输入为AD620的输出。当P12输出高电平时，通过二极管对电容C2充电，由于二极管是正向导通的，所以充电很快，当P12输出为低电平时，二极管反向截止，电容通过电阻RW和R6放电，由于总电阻比较大，所以放电很缓慢，在没有收到返回信号时，比较器输出高电平，如果收到返回信号，比较器便输出低电平，通过这种方法就可以消除发射探头对反射回的信号的干扰。图3 信号转换电路5. 温度测量温度对于超声波测距系统的影响是不可忽略的。为了得到较为精确的测量结果，必须对波速