超声波测距.doc

1、超声波测距一 、 引 言 由 于 超 声 波 指 向 性 强 ， 能 量 消 耗 缓 慢 ， 在 介 质 中 传 播 的 距 离 较 远 ， 因 而 超 声 波 经 常用 于 距 离 的 测 量 ， 如 测 距 仪 和 物 位 测 量 仪 等 都 可 以 通 过 超 声 波 来 实 现 。 利 用 超 声 波 检 测往 往 比 较 迅 速 、 方 便 、 计 算 简 单 、 易 于 做 到 实 时 控 制 ， 并 且 在 测 量 精 度 方 面 能 达 到 工 业实 用 的 要 求 ， 因 此 在 移 动 机 器 人 研 制 上 也 得 到 了 广 泛 的 应 用 。为 了 使 移 动 机 器

2、 人 能 自 动 避 障 行 走 ， 就 必 须 装 备 测 距 系 统 ， 以 使 其 及 时 获 取 距 障 碍物 的 距 离 信 息 （ 距 离 和 方 向 ） 。 本 文 所 介 绍 的 三 方 向 （ 前 、 左 、 右 ） 超 声 波 测 距 系 统 ，就 是 为 机 器 人 了 解 其 前 方 、 左 侧 和 右 侧 的 环 境 而 提 供 一 个 运 动 距 离 信 息 。 二 、 超 声 波 测 距 原 理 1、 超 声 波 发 生 器 为 了 研 究 和 利 用 超 声 波 ， 人 们 已 经 设 计 和 制 成 了 许 多 超 声 波 发 生 器 。 总 体 上 讲 ，

3、超声 波 发 生 器 可 以 分 为 两 大 类 ： 一 类 是 用 电 气 方 式 产 生 超 声 波 ， 一 类 是 用 机 械 方 式 产 生 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 。 目 前 较 为 常 用 的 是 压 电 式 超 声 波 发 生 器 。 2、 压 电 式 超 声 波 发 生 器 原 理 压 电 式 超 声

4、 波 发 生 器 实 际 上 是 利 用 压 电 晶 体 的 谐 振 来 工 作 的 。 超 声 波 发 生 器 内 部 结构 如 图 1 所 示 ， 它 有 两 个 压 电 晶 片 和 一 个 共 振 板 。 当 它 的 两 极 外 加 脉 冲 信 号 ， 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

5、 转 换 为 电 信 号 ， 这 时 它 就 成 为 超 声 波 接 收 器 了 。 3、 超 声 波 测 距 原 理 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 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 就 立 即 停 止 计 时 。 超声 波 在 空 气 中 的 传 播 速 度 为 340m/s， 根 据 计 时 器 记 录 的 时 间 t， 就 可 以 计 算 出 发 射 点距 障 碍 物 的 距 离 (s)， 即 ：

6、 s=340t/2 。 这 就 是 所 谓 的 时 间 差 测 距 法 。 超 声 波 测 距 的 原 理 是 利 用 超 声 波 在 空 气 中 的 传 播 速 度 为 已 知 ， 测 量 声 波 在 发 射 后 遇到 障 碍 物 反 射 回 来 的 时 间 ， 根 据 发 射 和 接 收 的 时 间 差 计 算 出 发 射 点 到 障 碍 物 的 实 际 距 离。 由 此 可 见 ， 超 声 波 测 距 原 理 与 雷 达 原 理 是 一 样 的 。测 距 的 公 式 表 示 为 ： L=CT式 中 L 为 测 量 的 距 离 长 度 ； C 为 超 声 波 在 空 气 中 的 传 播 速

7、 度 ； T 为 测 量 距 离 传 播的 时 间 差 (T 为 发 射 到 接 收 时 间 数 值 的 一 半 )。超 声 波 测 距 主 要 应 用 于 倒 车 提 醒 、 建 筑 工 地 、 工 业 现 场 等 的 距 离 测 量 ， 虽 然 目 前 的测 距 量 程 上 能 达 到 百 米 ， 但 测 量 的 精 度 往 往 只 能 达 到 厘 米 数 量 级 。由 于 超 声 波 易 于 定 向 发 射 、 方 向 性 好 、 强 度 易 控 制 、 与 被 测 量 物 体 不 需 要 直 接 接 触的 优 点 ， 是 作 为 液 体 高 度 测 量 的 理 想 手 段 。 在 精

8、密 的 液 位 测 量 中 需 要 达 到 毫 米 级 的 测 量精 度 ， 但 是 目 前 国 内 的 超 声 波 测 距 专 用 集 成 电 路 都 是 只 有 厘 米 级 的 测 量 精 度 。 通 过 分 析超 声 波 测 距 误 差 产 生 的 原 因 ， 提 高 测 量 时 间 差 到 微 秒 级 ， 以 及 用 LM92 温 度 传 感 器进 行 声 波 传 播 速 度 的 补 偿 后 ， 我 们 设 计 的 高 精 度 超 声 波 测 距 仪 能 达 到 毫 米 级 的 测 量 精 度。超 声 波 测 距 误 差 分 析根 据 超 声 波 测 距 公 式 L=CT， 可 知 测

9、 距 的 误 差 是 由 超 声 波 的 传 播 速 度 误 差 和 测 量距 离 传 播 的 时 间 误 差 引 起 的 。时 间 误 差当 要 求 测 距 误 差 小 于 1mm 时 ， 假 设 已 知 超 声 波 速 度 C=344m/s (20 室 温 )， 忽略 声 速 的 传 播 误 差 。 测 距 误 差 s t(0.001/344) 0.000002907s 即 2.907ms。在 超 声 波 的 传 播 速 度 是 准 确 的 前 提 下 ， 测 量 距 离 的 传 播 时 间 差 值 精 度 只 要 在 达 到 微秒 级 ， 就 能 保 证 测 距 误 差 小 于 1mm

10、的 误 差 。 使 用 的 12MHz 晶 体 作 时 钟 基 准 的 89C51 单 片 机 定 时 器 能 方 便 的 计 数 到 1s 的 精 度 ， 因 此 系 统 采 用 89C51 定 时 器 能 保 证 时间 误 差 在 1mm 的 测 量 范 围 内 。超 声 波 传 播 速 度 误 差超 声 波 的 传 播 速 度 受 空 气 的 密 度 所 影 响 ， 空 气 的 密 度 越 高 则 超 声 波 的 传 播 速 度 就 越快 ， 而 空 气 的 密 度 又 与 温 度 有 着 密 切 的 关 系 ， 如 表 1 所 示 。已 知 超 声 波 速 度 与 温 度 的 关 系

11、如 下 ：式 中 ： r 气 体 定 压 热 容 与 定 容 热 容 的 比 值 ， 对 空 气 为 1.40，R 气 体 普 适 常 量 ， 8.314kgmol-1K-1，M气 体 分 子 量 ， 空 气 为 28.810-3kgmol-1，T 绝 对 温 度 ， 273K+T 。近 似 公 式 为 ： C=C0+0.607T式 中 ： C0 为 零 度 时 的 声 波 速 度 332m/s；T 为 实 际 温 度 ( )。对 于 超 声 波 测 距 精 度 要 求 达 到 1mm 时 ， 就 必 须 把 超 声 波 传 播 的 环 境 温 度 考 虑 进去 。 例 如 当 温 度 0 时

12、 超 声 波 速 度 是 332m/s, 30 时 是 350m/s， 温 度 变 化 引 起 的 超声 波 速 度 变 化 为 18m/s。 若 超 声 波 在 30 的 环 境 下 以 0 的 声 速 测 量 100m 距 离 所引 起 的 测 量 误 差 将 达 到 5m， 测 量 1m 误 差 将 达 到 5mm。三 、 超 声 波 测 距 系 统 的 电 路 设 计 本 系 统 的 特 点 是 利 用 单 片 机 控 制 超 声 波 的 发 射 和 对 超 声 波 自 发 射 至 接 收 往 返 时 间 的计 时 ， 单 片 机 选 用 8751， 经 济 易 用 ， 且 片 内 有

13、 4K 的 ROM， 便 于 编 程 。 电 路 原 理 图如 图 2 所 示 。 其 中 只 画 出 前 方 测 距 电 路 的 接 线 图 ， 左 侧 和 右 侧 测 距 电 路 与 前 方 测 距 电路 相 同 ， 故 省 略 之 。 1、 40kHz 脉 冲 的 产 生 与 超 声 波 发 射 测 距 系 统 中 的 超 声 波 传 感 器 采 用 UCM40 的 压 电 陶 瓷 传 感 器 ， 它 的 工 作 电 压 是 40kHz 的 脉 冲 信 号 ， 这 由 单 片 机 执 行 下 面 程 序 来 产 生 。 PUZEL： MOV 14H, #12H； 超 声 波 发 射 持

14、续 200ms HERE： CPL P1.0 ； 输 出 40kHz 方 波 NOP ； NOP ； NOP ； DJNZ 14H， HERE； RET 前 方 测 距 电 路 的 输 入 端 接 单 片 机 P1.0 端 口 ， 单 片 机 执 行 上 面 的 程 序 后 ， 在 P1.0 端 口 输 出 一 个 40kHz 的 脉 冲 信 号 ， 经 过 三 极 管 T 放 大 ， 驱 动 超 声 波 发 射 头 UCM40T， 发 出 40kHz 的 脉 冲 超 声 波 ， 且 持 续 发 射 200ms。 右 侧 和 左 侧 测 距 电 路 的 输 入 端分 别 接 P1.1 和 P1

15、.2 端 口 ， 工 作 原 理 与 前 方 测 距 电 路 相 同 。 2、 超 声 波 的 接 收 与 处 理 接 收 头 采 用 与 发 射 头 配 对 的 UCM40R， 将 超 声 波 调 制 脉 冲 变 为 交 变 电 压 信 号 ， 经运 算 放 大 器 IC1A 和 IC1B 两 极 放 大 后 加 至 IC2。 IC2 是 带 有 锁 定 环 的 音 频 译 码 集 成 块LM567， 内 部 的 压 控 振 荡 器 的 中 心 频 率 f0=1/1.1R8C3， 电 容 C4 决 定 其 锁 定 带 宽 。调 节 R8 在 发 射 的 载 频 上 ， 则 LM567 输 入

16、 信 号 大 于 25mV， 输 出 端 8 脚 由 高 电 平 跃变 为 低 电 平 ， 作 为 中 断 请 求 信 号 ， 送 至 单 片 机 处 理 。 前 方 测 距 电 路 的 输 出 端 接 单 片 机 INT0 端 口 ， 中 断 优 先 级 最 高 ， 左 、 右 测 距 电 路的 输 出 通 过 与 门 IC3A 的 输 出 接 单 片 机 INT1 端 口 ， 同 时 单 片 机 P1.3 和 P1.4 接 到 IC3A 的 输 入 端 ， 中 断 源 的 识 别 由 程 序 查 询 来 处 理 ， 中 断 优 先 级 为 先 右 后 左 。 部 分 源 程 序如 下 ： RECEIVE1： PUSH PSWPUSH ACC CLR EX1 ； 关 外 部 中 断 1 JNB P1.1, RIGHT ； P1.1 引 脚 为 0,转 至 右 测 距 电 路 中 断 服 务 程 序JNB P1.2, LEFT ； P1.2 引 脚 为 0,转 至 左 测 距 电 路 中 断 服 务 程 序 RETURN： SETB EX1； 开 外 部 中 断 1