超聲波測距 系統(tǒng) 超聲波工作原理 超聲波應用 超聲波發(fā)射 頭研究 超聲波發(fā)射電路電路設計 超聲波測距 接收 方案 設計 超聲波測距 特點及 影響因數 軟件設計 參考文獻 總結 超聲波測距原理： 超聲波在相同的傳播媒體里 (大氣條件 ) 傳播速度相同 , 即在相當大的頻率范圍內聲速不隨頻率變化 , 波動的傳播方向與振動方向一致 , 是縱向振動的彈性機械波 , 它是借助于傳播介質的分子運動而傳播的 , 波動方程描述方法與電磁波是類似的 。 式中 , A (x ) 為振幅 , A 0 為常數 , 為圓頻率 , t 為時間 , x 為傳播距離 , k= 2 /為波數 , 為波長 , 為衰減系數。衰減系數 與聲波所在介質及頻率的關系為 =af2 （ 3） 式中 , a 為介質常數 , f 為振動頻率。在空氣里 , a =210 - 13 s2/cm, 當振 動的聲波頻率 f = 40kHz (超聲 波 ) 代入式 (3) 可得 a = 3.2 10-4 cm-1 , 即 1/= 31m；若 f = 30 kHz, 則 1/= 56m。它的物理意義是 : 聲波在空氣媒質里傳播 , 因空氣分子運動摩擦等原因 , 能量被吸 收損耗。在 (1/) 長度上 , 平面聲波的振幅衰減為原來的 e 分之一 , 由此可以看出 , 頻率越高 , 衰減得越厲害 , 傳播的距離也越短?？紤]實際工程測量要求 ,在設計超聲波測距儀時 , 選用頻率 f = 40kHz 的超聲 波 , 波長為 34000/40000=0.85cm。 超聲波 測距 應用： 1. 超聲波流量計： 測量水的流速，這是因為超聲波是一種機械波，依靠介質才能傳播，其傳播方向受介質運動影響，因此，水可以改變傳播方向。進而可以 做出超聲波流量計，可應以 自來水、工業(yè)用水、農業(yè)用水等進行測量。還適用于下水道、農業(yè)灌渠、河 流等流速的測量 。 2. 超聲波測距儀：用以測量液位、井深、 管道長度、建筑測量、厚度測量等。 3. 報警器：盲人探路器、防盜報警等 4. 定位系統(tǒng)：用以探測超聲波發(fā)射源位置，在生活中有重要意義，如 人說話、呼吸的時候不光產生聲波，同樣也會產生部分超聲波，呼出的氣體分子與空氣分子碰撞就產生超聲波。氣管漏氣，輪胎漏氣，閥門泄漏、閥門氣蝕、齒輪運行、電暈放電等都會產生超聲波。 通過接收器看以看出哪里有漏洞。 超聲波發(fā)射 頭研究 ： 保持 vi不隨 f 變化，測量數據如下：（頻率單位： khz，輸出電壓為峰峰值，單位 V） f 10 20 30 35 38 40 42 45 50 51 52 53 55 60 Vo 9.52 8.16 6.08 5.44 4.32 3.76 4.32 6.48 3.28 1.6 1.92 6.8 8.32 6.32 jeck02468100 20 40 60 80f/KHZVop_p/vVo 從圖中可以得出結論： 超聲波發(fā)射的串聯(lián)諧振頻率有兩個，一個是 40khz，一個是 51khz； 其對應的阻抗分別為： 1.27k和 381 方案一 超聲波發(fā)射電路 1 2U 3 A4 06 93 4U 3 B4 06 95 6U 3 C4 06 99 8U 3 D4 06 913 12U 3 F4 06 911 10U 3 E4 06 9C00 .0 1 ufC 1 10 .0 1 ufTP 1. 0 圖 1-1 由單片機產生 40KHz 的方波， 并通過單片機的 P1.0 口接到 CD4069，而后面的 CD4069 則對 40KHz 頻率信號進行調理，以使超聲波傳感器產生諧振。 超聲波發(fā)射電路信號走向 圖 1-2 超聲波接收電路 1 2 3 4 5 6 7 8C X 2 01 0 6C33 30 p+C23 .3 uC13 .3 nR52 20 kR45R21kR31 00R71 5kRR61 0kV C CQ29 01 4Q39 01 8D1L E DV C CP 3. 2 圖 1-3 當超聲波接收頭收到發(fā)射信號時，便通過 CX20106 進行前置放大、限幅放大、帶通濾波、峰值檢波和比較、積分及施密特觸發(fā)比較得到解調處理后的信號。 7腳為信號輸出口，沒收到信號時為高電平，收到后變?yōu)榈碗娖剑笥只?復高電平。 （ a）為接收信號，（ b）為有源峰值檢波，如圖 1-4 圖 1-4 CX20106 使用 超聲波接收電路使用了集成電路 cx20106AI 到。 cx20106A 是日本索尼公司生產的紅外遙控系統(tǒng)中作接收預放用的雙極型集成電路，可用來代換多種型號的遙控接收集成電路。 CX20106A 的內電路框圖及信號流向如圖 1-4 所示。 CX20106 內部結構 如下： 圖 1-5 集成電路 Cx20106A 可用來完成信號的 放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和 波形整形 等功能，各部分參數值如表 1-1所示。其中的前置放大器具有自動增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠反射信號輸出微弱電壓時，放大器有較高的增益，在近距離輸入信號強時放大器不會過載 ；其帶通濾波器中心頻率可由芯片腳 5的外接電阻調節(jié)，不需要外接電感，可避免外磁場對電路的干擾，可靠性較高。 CX20106A 接收超聲波有很高的靈敏度和抗干擾能力，可以滿足接收電路的要求。同時，使用集成電路 也可以減少電路之間的相互干擾，減小電噪聲。 CX20106 主要引腳說明 （ 表 1-1） ： 腳號 符號 引腳名稱 說明 1 IN 信號輸入端 該腳輸入阻抗約為 40 士 5k9 2 RC RC 網絡連接端 該腳與地間接有 RC 串聯(lián)網絡，用來確定前置放大器 的頻率特性和增益。電阻增大，電容值小，則增益低 :反則高。但電容不宜過大，否則瞬態(tài)響應速度會降低。 3 c 檢波電容連接端 該腳與地間連接著檢波電容。電容量大為平均值檢 波，瞬態(tài)響應靈敏度低 ；電容量小，則為峰值檢波， 瞬態(tài)響應靈敏度高，但檢波輸出的脈寬變動大，易造 成遙控誤動作。 4 GND 接地端 5 f。 帶通濾波器中心頻 率設置端 該腳與電源間所接電阻 R 用來設置帶通濾波器的中 心頻率 f。 6 330p 積分電容連接端 該腳所接的積分電容，標準值為 330PF。當其容量值 變大，則外部噪波干擾增強，而且輸出脈沖的低電平 持續(xù)時間增加，遙控距離變短。 7 OUT 信號輸出端 該端口為集電極開路輸出端。該腳和電源之間連接一 只 R3電阻后，輸出脈沖低電平的標準值約為 0.2V。 8 Vcc 供電電源端 （ 5士 0.3） V 表 1-1 CX20106 參數表 （ 表 1-2） ： 表 1-2 當電阻在 200k220k時， f。 =40kHZ 左右。 引腳 6接 330p 的電容 3接 3.3uf 的電解電容 引腳 2：用以調節(jié)放大倍數，及增益，實際使用 情況如下： 測試條件： RC網絡連接端 中 R1=5 ,Vcc=5V，測量距離為單程，以下為粗略值，僅供參考 C1 104 103 472 332 102 手指發(fā)聲距離 1.5m 0.75m 0.5m 0.3m 0.2m 測量距離 10m 以上 9m 7m 6m 5m 表 1-3 此電路制作成功，能夠測量 20cm-3m間的距離，顯示最小值為 1cm。 遇到的問題 -已解決 ： 超聲波 T和 R不能太近，如 3cm， 否則 CX20106 很容易受到干擾使圖 1-3 的發(fā)光二極管不停地閃爍， CX20106 的增益在 74db 以上，很高，很容易受到干擾信號的影響，實際相隔 6cm 時解決了此問題。 V C CVDDQ1s 80 5 0R01 00P 1. 1R11K等待解決的問題： CX20106 當 1 腳接的超聲波探頭 T 靠近電源 時，如果 RC 網絡連接的 C比較大時會受到電源的干擾，使LED 閃爍。 如果超聲 波軟件開始發(fā)射時，啟動 CD4069電源，發(fā)射完后關閉 CD4069 的電源， VDD 為 CD4069的電源端，其方法是利用單片機的 P1.1 口來控制CD4069 的電源開與關。其電路如圖 1-6。實驗效果表明，在本方案中 CX20106 會受到干擾，我想可能是電源穩(wěn)定受到該影響。然而方案二利用 LM324 來做接收時 ，原先多次顯示出來的數據只有少數是正確測量出來的結果， 利用此圖 1-6 的方法確實減少了很大的干擾， 但 仍然有點干擾， 多次顯示出來的數據只有少數是 不 正確的結果 。 圖 1-6 方案二 發(fā)射電路如下圖 1-7 1 2U 3 A4 06 93 4U 3 B4 06 95 6U 3 C4 06 99 8U 3 D4 06 913 12U 3 F4 06 911 10U 3 E4 06 9C00 .0 1 ufC 1 10 .0 1 ufTP 1. 0V C CVDDQ1s 80 5 0R01 00P 1. 1R11K 圖 1-7 單片機 P1.0 為超聲波脈沖發(fā)射端， P1.1 為超聲波發(fā)射驅動電路 CD4069 電源控制端，當要發(fā)射超聲波時啟動 CD4069 的電源，發(fā)射后關閉其電源，以減小超聲波 T 帶來的干擾 ,因為電源可能不是十分穩(wěn)定，含有很小的高頻的交流成分，盡管很小，但傳到超聲波發(fā)射端 T時，會發(fā)射出去，引起接收的干擾 。 本發(fā)射電路在一定程度上減小了 T 對 R 的干擾。要進一步減小其干擾，就是讓 VDD=VCC，同時 要求電源絕對的穩(wěn)定，不受 Q1開關的影響，否則接收電路 LM324 電壓比較的參考電壓將會受到影響。 超聲波接收電路如圖 1-8 圖 1-8 此接收電路 接收到的超聲波信號 經過三級 20*20*10=2000 倍左右的放大。可以測量高達 3m遠的距離，然后給 LM358 做電壓比較得到 TTL 方波信號給單片機接收。 此電路優(yōu)點：為一個 40khz 的帶通濾波器，就是 Q值過低， 此電路有以下缺點：第一： LM324 其對 40khz 的信號放大時，放大倍數受到頻率高的限C1 1nf2 31411U1ALM324_NSCRR2 1KR1 100kC3 1nfR4 1K567411U2BLM3249108411U1CLM324_NSCR9 100KR7 1KC4 1nfR10100KR5 10kR6 10kVCCP3.2VCCC20.1ufVCCC7 100pfR3100kVCCR8 100D1 LED0482 31U?ALM358C110.1uf 制， 即增益帶寬積 fH*Au， 使放大倍數最高位 20，這是經過示波器多次數據測量和觀察的結果。 第二：電源不 能很穩(wěn) 定 ，沒有做穩(wěn)壓塊，會使 LM358 電壓比較器的參考電壓 受到波動，只要有一點波動會使反向放大器波形受到破壞 ，這個電壓穩(wěn)定相當重要 。 第三：帶通濾波效果差， Q 值低 ，因而外界干擾信號或噪聲干擾也得到比較大的放大。 此電路制作只是半個成功，即可以測量距離，但有時顯示不正確。 超聲波測距注意問題及改善方法 a.溫度影響測量精度 ： 穩(wěn)定準確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件 .。而超聲波在空氣中 傳播時，其速度受到了溫度、濕度、粉塵、大氣壓、氣流等因素的影響。其中溫 度影響最大，超聲波在空氣中的速度與溫度的關系表達式為 : 由泰勒公式展開可近似為 c=331.5+0.607t 式中， t是環(huán)境攝氏溫度 ( )。所以，溫度每變化 1， 波的速度變化為 0.6m/s。可見溫度對聲速影響很大，測量時必須進行溫度補償。 b.超聲波在空氣中傳播 經過多條相隔很近的路徑 多次 來回 影響，解決方法有兩個：第一是超聲波發(fā)射間隔時間增長；第二就是超聲波 發(fā)射模塊做小，同時探頭T與 R平行于電路板，減小其來回反射路徑。 c.提高超聲波發(fā)射功率 ，可以增加測量距離，可以采用變壓器實現(xiàn)升壓。 d.超聲波發(fā)射頭和接收頭由于靠的很近， 容易受到發(fā)射的干擾，應該盡量避免 余波的干擾。 從圖 1-9中可以看到，當發(fā)射超聲波脈沖時，幾乎在同一時刻收到了。解決方法：一個是增加 T/R 之間的安裝距離，第二就是軟件解決，在發(fā)射完后 ，延長一段時間再開啟檢測超聲波發(fā)射的信號。這就是超聲波存在最小測量距離的主要原因。 圖 1-9 e.避免手接觸超聲波電路板，容易產生干擾。 f.提高電源的穩(wěn)定性 g.測量距離時，應盡量保證 ,傳感器軸線與被測物表面垂直； h.實際測距范圍與被測物表面材料有關，一般不要測量表面為毛料的物體表面 ； 超聲波對色彩、 關照度不敏感，可用于識別透明及漫反射性差的物體 (如玻璃、拋光體 )；？ 對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中 ；超聲波傳感器結構簡單、體積小、費用低、信息處理簡單可靠，易于小型化和集成化 優(yōu)點： 物美價廉，一對超聲波探頭 ,如 型號 T/40-16 只要 4.5 元； 體積小，易于集成化 參考文獻 ： 1.新編單片機原理與應用 第二版 潘永雄編著