一种多方位超声波测距仪的设计

1、第21卷第6期2007年11月甘肃联合大学学报(自然科学版)󰀁󰀁文章编号:1672-691X(2007)06-0064-02一种多方位超声波测距仪的设计王进花,黄󰀁玲(兰州理工大学电信学院,甘肃兰州730050)摘󰀁要:由于超声波对环境的适应能力强、信息处理简单、速度快等特点而广泛应用于液位测量、机械手控制、车辆自动导航、移动机器人、物体识别等方面,但它也存在一些缺陷使得测量的准确度受到影响.基于对超声波测距原理和超声波特点的研究,针对回波信号弱,方向性差的缺陷,为了实现在某些特殊场合(如井下测量、能源勘探)的测距以及提高测量强度

2、,提出了一种多方位超声波测距仪的设计思想.关键词:超声波;锅形天线;测距仪中图分类号:TP274+.53󰀁󰀁󰀁文献标识码:A0󰀁引言超声波测距是一种非接触式的检测方式.目前在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、移动机器人、物体识别等方面有广泛应用1.超声波测距仪信息处理简单、速度快,但它也具有一定的局限性,主要表现在探测波束角过大、方向性差.本设计采用一对转动的超声波接收和发送探头,通过角度补偿和距离补偿,可以灵活、准确地测量周围环境障碍物的距离,同时采用锅形天线来会聚信号,提高强度和测量的准确度.如果温度变化不大,并且无特殊精度

3、要求,可认为声速是基本不变的,否则,必须进行温度补偿.温度补偿通常先按照式(2)计算当前声速C,然后再按照式(1)计算距离.超声波利用接收发射波来进行距离的计算,因而不可避免的存在发射与反射之间的夹角,其大小为2󰀁.当󰀁很小时,可直接按式(1)进行计算得到距离;当󰀁较大时,则必须进行距离修正,修正公式为S=cos󰀁󰀁C󰀁t/2.(3)2󰀁系统原理框图1󰀁基本原理声音的传播速度与介质的种类、温度有关,一般说来,介质的密度越高传播的速度越大;温度越高传播的速度越大.超声波

4、是指振动频率大于20kHz以上的,人在自然环境下无法听到和感受到的声波.超声波测距的原理可简单描述为:发射电路定期发射超声波,遭遇障碍物时发生反射,发射波经由接收器接收并转化为电信号,这样只要测出发送和接收的时间差,然后按照下式即可求出距离2图1󰀁系统原理框图S=C󰀁t/2.(1)󰀁󰀁式中,C为超声波在空气中的传播速度.0󰀁时为331m/s,25󰀁时为347m/s,其与环境温度T(󰀁)的关系如下式3C=331.4+0.61󰀁T.(2)󰀁󰀁

5、;由此可见,声速与温度密切相关.在应用中,收稿日期:2007-09-04.3󰀁要解决的关键问题(1)要实现多方位超声波测距时,若用多对超声波接收和发送探头及相应的数码显示管,不但浪费了系统资源和原材料,增加了程序的复杂性,而且一旦发射波偏离障碍物会造成探测失误.故作者简介:王进花(1978-),女,甘肃兰州人,兰州理工大学讲师,主要从事检测与转换技术研究.第6期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁&#

6、983041;󰀁王进花等:一种多方位超声波测距仪的设计󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁65󰀁采用一对超声波接收和发送探头,一组数码显示管,只是将超声波探头转动起来,但若转动角速度过快,数码管会来不及显示,肉眼看不清楚;若转动角速度过慢,不同方向的数据在一段较短的时间内不能全部采集,达不到所要求的效果.需找到一个平衡,超声波探头的转动角速度选为30度/秒,在每次调用

7、超声波发射子程序后,作一次延时,数码显示管较稳定.(2)超声波探头转动起来时,探头接收到的超声波信号会减弱很多,为此,一方面采用锅形天线来会聚信号,同时产生了角度差󰀁和距离差R,须采用角度补偿和距离补偿,补偿公式分别为3S=cos󰀁󰀁C󰀁t/2,S=2R.(4)(5)信号,远距离情况下回波更弱,为此要将该信号放大几千倍,信号经放大、整形后,电路产生一个负脉冲使微处理器产生中断.图3󰀁发送/接收电路原理图4󰀁结束语通过对系统硬件电路和软件的合理设计,本系统能完成对周围环境障碍物距离的准确测量并及时报警

8、,使用数码管以厘米为单位显示距离,方便于井下等特殊场合测距,有较高的测量强度和准确度.参考文献:1刘玉芹,刘敬文.超声波测距仪在移动机器人避障中的应用J.仪器仪表学报,2006,27(6):1559-1560.2曹玲芝,任亚萍,刘建.超声波避撞预警系统的研究J.单片机开发与应用,2006,22(11):93-95.3王瑞.基于单片机的超声波测距仪的研制J.地质装备,2006,7(6):28-30.4林元新.超声波测距和汽车防撞雷达的设计J.汽车电器,2006,16(12).53-55.5吴研,刘苏莉.超声波倒车雷达系统设计J.工业控制技术,2006,32(6):87-89.6栗桂凤,周东辉,王光听.基于超声波传感器的机器人环境探测系统J.传感器技术,2005,24(4):4-6.图2󰀁超声波测距原理图另一方面将单片机输出的40kHz方波信号,经过放大,再经过阻抗匹配电路后,驱动超声波发射头,使发射换能器接收高电压,经过换能器发出40kHz脉冲超声波.当超声波遇到障碍物时产生反射波,反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收压电晶片产生的射频电压幅度近距离为毫伏级的MoreThanoneBearingUltrasonicTelemeterSenorDesignWANGJin-hua,HUANGLin(Lanz