中国抄板网,抄板,pcb抄板

专注重大装备的PCB抄板综合服务门户网站!

当前位置:首页 > 行业应用 > 测量仪器

超声波测距系统原理与设计实例

更新时间:2015-12-29 11:34:34点击次数:3171次

超声波测距的基本原理

超声波发生器在某一时刻发出超声波信号,遇到被测物体后反射回来,被超声波接收器接收到。只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间,知道在介质中的传播速度,就可以计算出距被测物体的距离:

d=s/2=(vt)/2 (1)

其中d为被测物到测距仪之间的距离,s为超声波往返通过的路程,v为超声波在介质中的传播速度,t为超声波从发射到接收所用的时间。为了提高精度,需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系:

v=331.4+0.61T (2)

式中,T为实际温度(℃),v的单位为m/s。

压电式超声波传感器的原理

目前,超声波传感器大致可以分为两类:一类是用电气方式产生的超声波,一类是用机械方式产生的超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。在工程中,目前较为常用的是压电式超声波传感器。

压电式超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。压电式超声波发生器的内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,且其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时即为超声波接收器。

反射式超声波测距仪的硬件电路设计

本系统硬件电路由单片机最小系统、温度补偿电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路构成,如图1所示。

反射式超声波测距仪的方框图

本超声波测距仪的具体工作过程如下,在单片机产生复位信号后,由MC9S12DG128B产生一个控制信号,控制外围电路产生40kHz的超声波,经整形放大后加到超声波换能器发射出频率为40kHz的超声波。同时,计数MC9S12DG128B内部的定时器,测量超声波信号从发出到接收所花的时间,并把经超声波换能器R接收到的超声波信号放大、滤波、整形,并作为接收信号来启动定时器的输入捕捉功能,完成一次超声波测距的时间操作。同时,由温度传感器DS18B20测得当前的环境温度,读入单片机,然后经其处理,在液晶显示屏上显示相应的测量值以及当前温度。

微控制器MC9S12DG128B

MC9S12DG128B是飞思卡尔公司推出的S12控制器中的一款16位微控制器。其集成度高,片内资源丰富,接口模块包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等,在FLASH存储控制及加密方面有较强的功能。

MC9S12DG128B微控制器采用增强型16位S12 CPU,片内总线时钟频率最高可达25MHz;片内资源包括8kB RAM、128kB FLASH、2kB EEPROM、SCI、SPI及PWM串行接口模块;PWM模块可设置成4路8位或2路16位,可宽范围选择时钟频率;它还提供2个8路10位精度A/D转换器、控制器局域网CAN和增强型捕捉定时器,并支持背景调试模式(BDM)。

超声波的发射电路

超声波发射电路一般由超声波反射器T、40kHz的超音频振荡器、驱动(或激励)电路等组成,本设计利用门电路产生40kHz的超声波,组成的超声波发射电路见图2。

与非门组成的超声波发射电路

图中,与非门74LS00和LM386组成超声波发射电路,用74LS00构成多谐振荡器,通过调节20k的电位器,可产生超声波发射的40kHz信号,其中U3A为驱动器,电路振荡频率f≈1/2.2RC,单片机的控制信号由U2A输入。为增大超声波的发射频率,本设计利用了单运放LM386,发射距离可达4m。

超声波的接收电路

超声波接收电路如图3所示。接收头采用与发射头配对的超声波接收器R,将超声波调制脉冲变为交变电压信号。为了进行信号的整形,在设计中的CMOS电平的6非门芯片CD4069,可以减少电路的复杂程度,提高电路的带负载能力。整形后的信号由C1耦合给带有锁定环的音频译码集成块LM567的输入端3脚,当输入信号的幅度落在其中心频率上时,LM567的逻辑输出端8脚由高电平跃变为低电平。

超声波接收电路

DS18B20温度补偿电路

根据上文中式(2)可知,温度对声速的影响较大,若不进行补偿,将会带来测量误差,为了提高系统的测量精度,设计了温度补偿电路。系统采用数字温度传感器DS18B20来采集温度,DS18B20是美国DALLAS公司生产的1-wire总线串行数字温度传感器,它具有微型化、低功耗、抗干扰能力强、易于与微处理器接口等优点,适合于各种温度测控系统。它的测量温度范围为-55℃~+125℃,精度可达0.0675℃,最大转换时间为200ms。

数字式温度传感器和模拟温度传感器最大的区别是:将温度信号直接转化成数字信号,然后通过串行通信的方式输出。因此掌握DS18B20的通信协议是使用该器件的关键。该协议定义了几种信号类型:复位脉冲、应答脉冲时隙;写“0”、读“1”时隙,读“0”、读“1”时隙。初始化后,传感器输出两个字节的温度,进行数据处理后得到实际温度的值,利用式(2)可计算补偿声速。

液晶显示电路

字符点阵系列模块是一类专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型显示模块。分4位和8位数据传输方式。它提供5×7点阵+光标和5×10点阵+光标的显示模式。提供显示数据缓冲区DDRAM、字符发生器CGROM和字符发生器CGRAM,可以使用CGRAM来存储自己定义的最多8个5×8点阵的图形字符的字模数据。它提供了丰富的指令设置:清显示,光标回原点,显示开/关,光标开/关,显示字符闪烁,光标移位,显示移位等。提供内部上电自动复位电路,当外加电源电压超过+4.5V时,自动对模块进行初始化操作,将模块设置为默认的显示工作状态。OCM2X16显示两行字符,每行可以显示16个字符。本设计采用OCM2X16,显示两行字符,一行显示当前的环境温度,一行显示所测距离。

系统软件设计

系统软件包括主程序、温度采集子程序、定时器计时子程序、计算子程序、液晶显示子程序等。主程序包括初始化和各个子程序的调用,最后把测量结果用液晶显示屏显示出来(见图4)。

超声波测距主程序

联系电话:0755-82815425

热门文章

抄板成功案例之低糖饮料浓度计
建筑检测仪产品PCB克隆
几种气体电子测试仪抄板克隆实例
超声波测距系统原理与设计实例
LCR数字电桥产品PCB克隆
频谱分析仪产品克隆
示波器判定标准分析
激光测距仪抄板克隆
风速测量仪
直流电阻测试仪产品克隆

企业推荐

聚芯龙人计算机
佳创科技
龙芯世纪科技有限公司
龙人集团有限公司
世纪芯集成电路有限公司