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高精度长距离超声波测距仪

2018-3-30 13:31| 发布者: dymodel| 查看: 154| 评论: 0|原作者: dymodel

摘要: 一、超声波测距应用方向及技术特点  1、物位料位测量  料位和液位测量是工业上经常遇到的一个问题。石油、化工、矿山等诸多企业总是有许多盛液或盛料的油嫂、污水罐、粮仓和煤仓需要侧定液位和料位,水电、港务 ...
一、超声波测距应用方向及技术特点
  1、物位料位测量
  料位和液位测量是工业上经常遇到的一个问题。石油、化工、矿山等诸多企业总是有许多盛液或盛料的油嫂、污水罐、粮仓和煤仓需要侧定液位和料位,水电、港务、航道等部门也需要侧定水库、港口或航道的水位。
  测量方案如下:
  
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  2、汽车防撞雷达
  车辆倒车时,由于驾驶员的后视区域死区,特别对于大型车辆,给其驾驶带来不便,容易造成事故。人们曾采用改进后视镜等方法来提驾驶员的后视角。基于雷达脉冲测距的原理,采用在车辆尾部安装微型超声波收/ 发器的方法,利用超声波脉冲的发射、反射和接收进行时差测距,将车辆后部的障碍物(如墙壁、车辆、树木、行人等) 的距离实时反馈给驾驶员,并提供声、光告警信号。
  
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  3、机器人定位
  随着工业自动化生产和装配过程中自动识别的需要, 特别是在工业机器人的应用中, 为了给移动机器人正确的向导, 使其能够接受控制要求、找到对象物或避过障碍物准确地工作, 必须装配精确的距离测量系统,使其获得准确的信息。
  
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  优点:超声波是一种非接触式的检测方式, 与其他方法相比, 如电磁或光学方法, 它不受光线、被测对象的颜色的影响, 对于被测对象处于黑暗、有灰、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣环境下有一定的适应能力。特别是在空气中测量时, 超声波传播速度较慢, 其回波中所包含的沿传播方向上的结构信息容易检测出来, 并且具有很高的分辨力。另外与目前的激光侧距技术相比,超声方法比较简单且价格较低。特别是超声测距技术可以选用气体、液体或固体来作为传声媒质,因而有较大的适应性。所以在侧量要求比较特殊,一般测距技术无法采用时,超声测距技术往往仍能使用。
  缺点:由于空气对超声波的吸收与超声波频率的平方成正比, 因此用来测距的超声波的频率就不能很高。另一方面频率越低, 波长越长, 测距的绝对误差就越大。所以, 测距的范围加大与测量精度实际上是一对矛盾。在同样的环境、气温、湿度等条件下10kHz 的声波在空气中的声吸收约为0.26dB/m。按吸收与频率的平方成正比的关系估算, 频率为20kHz 超声波的声吸收大约为1dB/m , 而40kHz 时便达到了4dB/m。这也正是通常使用40kHz 超声波的单频测距方法的测量范围只有5~ 6m 的原因。
  二、设计目标
  1、测距范围:最大20m
  2、精度:5m时,精度为0.01m
  3、语音报警
  3、人机交互(键盘液晶)
  由上面论述可知超声波波长较短, 绝对测量精度高, 而空气对它的吸收大, 所以用于近距离测距(比如5m 以内) , 而波长较长,绝对精度低, 但是空气对它的吸收要小很多, 可以达到较远的目标(比如5~ 20m ) , 由于这个范围绝对距离较长。
  故本设计中分别使用了20kHz和40kHz超声波换能头以实现远距离和近距离的测量。
  三、超声波测距的实现
  1、       测距原理
  超声波测距的方法有多种, 如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高, 但检测范围有限; 声波幅值检测法易受反射波的影响。本设计采用超声波渡越时间检测法。其原理为:检测从超声波发射器发出的超声波, 经气体介质的传播到接收器的时间, 即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘, 就是声波传输的距离。考虑实际情况, 采用异地脉冲反射式来测距, 即需测距离是声波传输距离的一半。
  
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  2、       总体方案
  
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  本方案以AT89S51单片机最小系统为中心,配以超声波收发电路实现测距的目的,液晶用来显示所测距离,键盘实现报警距离的设置,报警电路实现报警。另外,由于超声波在不同温度下传播速度不同,为了提高精度使用DS18B20进行温度在单片机内部利用软件实现补偿。
  3、硬件电路设计
  1)、超声波发射电路
  发射电路是由555 集成定时器组成的多谐振荡器, 如图所示。555的4 脚是复位端, 利用它来控制超声波脉冲的发射。当4 脚为低电平时, 555 有振荡脉冲输出; 为高电平时,555 定时器清零, 没有输出。因而, 将4 脚与单片机的控制信号相接就可以控制发射电路。通过不同的电阻选择实现不同频率超声波信号的发射。
  
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  2)、超声波接受电路
  超声波接收是用来将探测波回波的声能转换为电信号, 实现超声回波的接收。在被测物距离较远的情况下, 声的回波很弱, 为此要求将信号多次放大。放大后的信号整形输出一个方波信号, 此方波信号向CPU 发中断申请, 在中断服务程序中, 读取时间计数器的计数值。
  下图为超声波接受的电路原理图。超声波接收部分由滤波放大、倍压检波、电压比较三部分组成。。超声波在传播途中不可避免地会衰减,到达物体表面后,经过吸收、散射后,反射回来的回波信号极其微弱,要想测到回波,必须对其进行滤波放大,滤除回波噪声,放大有用信号,然后检波变成直流电平,再和电压比较器设定的阈值电压进行比较。其中图中的MC3430可用NE5532等增益带宽积较大的运放代替。
  为了实现不同频率的信号接受,可采用两套放大电路,分别使用不同的放大倍数进行放大。
  
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  3)、温度测量电路
  温度与声波在空气中有如下对应关系:
  
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  本设计温度补偿采用DS1820 数字温度计,不需要进行模数换,DSl820数字温度计提供9 位(二进制) 温度读数,指示器件的温度。信息经过单线接口送入DSl820 或从DSl820 送出,因此从主机CPU 到DSl820仅需一条线(和地线) 。DSl820 的电源可以由数据线本身提供,而不需要外部电源。因为每一个DSl820 在出厂时已经给定了唯一的序号,因此任意多个DSl820 可以存放在同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。DSl820 的测量范围从-55~ + 125 ℃增量值为0.5 ℃可在l s (典型值) 内把温度变换成数字。DS1820 正常使用时的测温分辨力为0.5 ℃,当测量系统需要更高的精度时,采取直接读取DS1820 内部暂存寄存器的方法,将DS1820的测温分辨力提高到0.1~0.01 ℃。由于芯片采用1 - wire 总线方式,不需要外围调理电路,可以和单片机直接相连,控制简单易行。单片机可以实时读取温度的数值,从而计算出该温度下的超声波速度,完成对超声速度温度的补偿。
  4)、报警电路
  报警电路可采用蜂鸣器也可采用语音芯片配合喇叭在达到设置阈值时进行报警。蜂鸣器报警电路简单,只需蜂鸣器配合三极管与单片机I/O相连即可。
  下面介绍一种语音报警电路:
  语音电路主要由专用语音芯片ISD2500及外围电路构成,ISD2500系列具有抗断电、音质好、使用方便、无需专用的语音开发系统等优点。它的最大特点在于片内E2PROM容量480KB,所以录放时间长;有10个地址输入端,寻址能力可达1024位;最多能分600段;设有OVF(溢出)端,便于多个器件级联。为了读出测得的距离值,就必须采用分段录音、分段调用播放的方式。这样0-9这10个数字分别占据10段存储空间,不能重叠,只要将每一段空间的首地址集合起来,编成地址表存放在AT89C51中,即可通过软件查表的方式清晰地读出测得的数值。此外,ISD2500内部集成有音频功率放大器,无需外接音频功放就能直接驱动扬声器,其原理图如图所示。
  
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  5)、人机接口
  使用键盘输入测量报警阈值,利用12864液晶进行显示测量数据。
  4、软件设计
  软件部分采用C语言编程,在KEILC51软件上进行仿真调试,成功后下载固化到AT89C51上进行验证.
  当89S51接到外部启动测距命令后, 立即从I/O 口之一送出一串频率为f H的超声波, 串长度可以有10~ 16 个完整的波形, 而后送出4~ 8f L 低频率超声波, 这种在时域上连续的两种频率的超声波被功率放大后, 推动发射换能器向空中发出双频超声波。发出的超声波被前方的目标反射后, 形成回波, 回波经由前置放大、球面扩散补偿、带通滤波及检波后, 形成回波脉冲Echo H 和Echo L , 由于高频声波先发出, 对于同一目标,其回波Echo H 先到达CPU , 因此对于近距离的目标, 首先用高频超声波探测; 对于远处的目标, 由于高频超声波被空气吸收而大幅衰减, 所以回波只有低频超声波EchoL。
  参考文献:
  [1]王润田.双频超声波测距.声学技术 1996
  [2]李彬,李庆坤.基于温度补偿的超声波测距技术.测量与装备 2007
  [3]吴小林,张东彦.具有语音功能的超声波测距仪.检测技术 2007
  [4]凌阳公司.超声波测距模组使用说明书v1.1  2005

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