一种高精度超声波测距系统的研制

一种高精度超声波测距系统的研制3

赵海鸣,卜英勇,王纪婵

(中南大学机电工程学院,　湖南长沙　410083)

摘　要:介绍了超声波测距的原理.分析了超声波测距产生误差的主要原因。提出通过温度测量修正超声波传播速度,应用双比较器整形结合软件准确确定回波前沿以提高空气中超声波测距精度的方法。在此基础上,设计了相应的超声波测距系统电路和软件。实验表明,该测距系统测量精度高,电路简单。

关键词:超声波测距;测距精度;回波前沿;系统设计

中图分类号:T B559 文献标识码:A

文章编号:1005-2763(2006)03-0062-04

D evelop m en t of an Ultra son i c D ist ance M ea sure m en t

Syste m w ith H i gh Prec isi on

Zhao Hai m ing,B u Yinyong,W ang J ichan (College of Mechanical and Electrical Engineering,Central S outh University,Changsha,Hunan410083,China) Abstract:I n this paper,the p rinci p le of ultras onic distance measure ment is described,the main err or s ources of ultras onic distance measure ment are analyzed als o.A method of i m p r oving p recisi on of ultras onic distance measurement in air,in which the trans m issi on s peed of ultras onic wave is corrected by measured air te mperature and the f or ward edge of receive wave can be de2 ter m ined accurately by use of the t w o comparing circuits of ultra2 s onic signal in combinati on with the s oft w are.Based on the ide2 a,the circuit and s oft w are of ultras onic distance measure ment syste m have been designed.Experi m ent indicates that the meas2 uring p recisi on of ultras onic distance measurement system is higher and its circuit is si m p ler.

Key W ords:U ltras onic wave distance measure ment,Precisi on of distance measure ment,For ward edge of receive wave,Syste m design

超声波测距是一种非接触式检测方式,在使用中不受光照度、电磁场、被测物色彩等因素的影响,加之其信息处理简单、速度快、成本低,在机器人避障和定位、车辆自动导航、液位测量等方面已经有了广泛的应用。本文介绍一种以89C52单片机为核心的低成本、高精度、微型化的数字显示超声波测距系统的硬件电路和软件设计。

1　超声测距原理

用于距离测量的超声波通常是由压电陶瓷的压电效应产生,这种压电陶瓷传感器有两块压电晶片和一块共振板,当给它的两极加频率等于晶片固有频率的脉冲信号时,压电晶片就会发生共振,并带动共振板振动,从而产生超声波,超声波经固体表面或液体反射折回,由同一传感器或相邻布置的另一传感器接收,测量超声波整个运行时间t,计算出发射点与反射点的距离s:

s=c・t/2(1)式中:c为超声波的传播速度,m/s。超声波在固体中传播速度最快,在气体中传播速度最慢,而且声速受温度影响最大。超声波在空气中的传播速度为:

c=331.4×1+T/273(2)式中,T为环境摄氏温度,℃。

超声波从超声传感器发出,在空气中传播,遇到被测物反射后,再传回超声传感器。整个过程,由于吸收衰减和扩散损失,声强随目标距离增大而衰减;同时超声波的衰减随频率增大而成指数增加,但频率越高,指向性越强,这一点有利于距离测量。本文讨论在空气中测量距离,选用40kHz的超声探头。超声传感器接收到的信号的幅值随距离增大而减小,远目标回波信号幅度小、信噪比低,用固定阀值的比较器检测回波,可能导致越过门槛的时刻前后移动,从而影响计时的准确性,这会影响测量的准确度。为了提高超声波测距的精度,需要准确地检测到第一个回波脉冲前沿的到达时间,为此,提出双比较器整形确定回波前沿的方法。

I SS N1005-2763 CN43-1215/T D 矿业研究与开发第26卷第3期

M I N I N G　R&D,Vol.26,No.3

2006年6月

Jun.2006

3收稿日期:2005-08-09

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50474052).

作者简介:赵海鸣(1966-),男,湖南邵阳人,博士研究生,从事机电一体化、设备故障诊断及海洋采矿和微地貌测量与可视化研究.

2　双比较器整形原理

一般超声测距电路是用一个比较器检测回波信号,阀值固定,当测量距离较远时,由于回波信号弱,会引起比较器翻转延迟,增大测量误差,而应用双比较器整形可以适当减少这种误差,其工作原理如图1所示

。

图1　双比较器整形电路工作原理

在图1中,V m 为峰值电压;V 1为比较器1的阀值电平;V 2为比较器2的阀值电平;t 0为回波前沿所对应的传播时间,t 1为比较器1翻转所对应的时间;

t 2为比较器2翻转时对应的时间。将两比较器翻转

点c 、b 连接并延长与横轴交于a 点,很容易求出a 点所对应的时间,t 1,t 2为单片机直接测量得到的时间,通过几何分析可以求出b 点或c 点到a 点的时间差。设ab 段的时间为t ab ,则有下式成立:

V 1V 2

=t ab t ac

=t ab

t ab

+(t 2-t 1)

(3)

由上式可得:

t ab =

V 1V 2-V 1

(t 2-t 1)

(4)

所以,a 点所对应的时间t ′0可表示为:

t ′0=t 1-t ab =

V 1t 1-V 1t 2V 2-V 1

(5)

式中:V 1,V 2为电路调试时确定的比较器参考电压,为已知量;t 1,t 2为测量值。从图1中可以看出以a 点所对应的时间t ′0代表回波前沿时间计算测量距离,要比以t 1,t 2直接计算距离,精度要明显提高,本系统经实验确定两个比较器的参考电压为:V 1=2.5V,V 2=3.8V 。

3系统设计

针对温度和超声波传播中衰减对测量精度的影响,从硬件和软件两方面综合考虑,设计了如图2所示的超声波测距系统,该系统选用超声传感器TCF40-16,采用单片机发射40kHz 的脉冲信号,并

通过三极管和变压器放大。接收电路设计了双比较整形电路、温度检测电路、显示电路、EEPROM 存储电路。系统中显示元件选用三位数码管,存储电路选用串行存储器24C02

。

图2　系统结构

3.1　超声波发射、接收电路

本系统由89C52单片机产生40kHz 脉冲信号,

并通过其P1.0口输出。单片机输出的TT L 脉冲通过三极管放大,再经过变压器将电压放大10倍以实现功率放大(见图3)。加在超声传感器两端的正弦电压信号幅值大约100V ,频率为40kHz,T CF40-16超声传感器在这个电压的作用下,产生40kHz 的超声波。

超声波在空气中传播,遇到目标反射回来,会引起接收传感器产生压电效应。接收传感器的输出信号是mV 级的电压信号,需要经过放大,同时由于环境中有各种频率的干扰信号,在进行整形之前必须对信号进行滤波,为此,本系统设计了放大电路和带通滤波电路,如图3所示。 放大电路由两片精密运算放大器OP37和R 、C 网络构成。OP37是高速宽带运算放大器,其转换速

率为17V /

μs,增益带宽乘积为63MHz,可单电源供电,电源电压为12V 。回波信号经过二级放大后,电压幅值得到大大提高。本系统设计了两级滤波电路,选用精密低噪声的运算放大器T L082,双电源供电,先通过低通滤波,再经过带通滤波,滤波处理后的回波信号为正弦信号。将该信号同时接入比较器L M393A 和L M393B 反相输入端,两比较器的参考电压端分别接电压V 1=2.5V 和V 2=3.8V,比较器L M393A 引脚1接单片机的I N T0,比较器LM393B 引脚1接单片机的I N T1。单片机内部的定时器/计数器T 0完成t 1,t 2的计时。3.2　温度检测

为了提高测量精度,设置了温度检测电路。本系统采用数字温度计DS1820来采集温度信号,DS1820是美国DALAS 公司推出的单线串行数字温度计,可直接与单片机连接,测量范围为-55～125℃,-10～85℃时测量精度为0.5℃,传感器输出的是用9位二进制数表示的温度值。根据实际测

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