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      基于單片機(jī)設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)的簡述

      2019-07-19 06:05:20蔣禮林李宇
      山東工業(yè)技術(shù) 2019年16期

      蔣禮林 李宇

      摘 要:隨著社會的不斷發(fā)展與進(jìn)步,帶動了科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,同時科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于軍事和民用的各個領(lǐng)域,給人們的生活帶來了極大的方便?;趩纹瑱C(jī)設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)充分利用了超聲波的各項特點(diǎn)能為人們的應(yīng)用提供極好的服務(wù)。由于測距在很大程度上依賴于方向,而超聲波具有強(qiáng)束射性的特性,所以它被廣泛用于測距系統(tǒng)中。采用超聲波測距具有快速、便捷、易于計算和實時監(jiān)控的優(yōu)勢,并且能滿足工業(yè)上對測量精度的要求,從而它已被廣泛應(yīng)用于汽車安全系統(tǒng)、海洋檢測和機(jī)器人等領(lǐng)域。本文簡述了基于單片機(jī)設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)的相關(guān)研究,并有利于從事該項研究的人員進(jìn)行分析與參考。

      關(guān)鍵詞:單片機(jī)設(shè)計;超聲波測距系統(tǒng);束射性;海洋檢測

      DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.131

      0 引言

      隨著現(xiàn)代科技的蓬勃發(fā)展,超聲波已廣泛應(yīng)用于各類傳感器。由于捕獲信息途徑的多樣化,只靠單一傳感器采集的信息具有精度差和不完整的缺點(diǎn),從而容易導(dǎo)致信息發(fā)生偏差或錯誤。然而,基于超聲波技術(shù)的傳感器具有準(zhǔn)確性高和完備性好的特點(diǎn),能很好地彌補(bǔ)單一傳感器數(shù)據(jù)采集的缺陷。在超聲波測距體系中,由于信息表現(xiàn)形式的多樣性、信息數(shù)量的巨大性、信息關(guān)系的復(fù)雜性以及獲取信息處理的及時性和準(zhǔn)確性,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人腦的對信息綜合處理能力。因此,基于單片機(jī)設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,能為人們的生活提供廣泛的服務(wù)。

      1 基于單片機(jī)設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)的重要性

      伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,傳感器廣泛應(yīng)用于超聲波技術(shù)的實例越來越多,這是人類文明走向科技發(fā)展道路的體現(xiàn)。傳感技術(shù)在科學(xué)技術(shù)變革中扮演先行者的角色,它體現(xiàn)了整個技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。鑒于世界各國有關(guān)研究、生產(chǎn)、應(yīng)用部門中,傳感器是發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一?;趩纹瑱C(jī)設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)的基本思想就是利用超聲波的時間和速度之間函數(shù)關(guān)系計算被測物體的距離,并用超聲波來代替?zhèn)鞲衅?,最終實現(xiàn)對距離的測量,并對測距系統(tǒng)的效果有較好的影響。近年來,國外和國內(nèi)團(tuán)隊加強(qiáng)了超聲波測距系統(tǒng)的研究,極大地提升和完善了超聲波測距系統(tǒng)的應(yīng)用。測量模型建模方法具有多樣性,然而如何選擇可測變量、怎樣對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及如何對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行在線更新等等就成為了超聲波測距的關(guān)鍵步驟。超聲波在傳感器中作用的分析如下:

      (1)超聲波測距與同類型非接觸式的測距方式(如電磁法、光學(xué)法)相比較,電磁法雖然不會受到光線強(qiáng)弱的干擾,但是會受到磁場的影響;而超聲波測距法具有避免光線強(qiáng)弱、物體大小以及周圍電磁的干擾的優(yōu)勢性。超聲波測距系統(tǒng)對于測量目標(biāo)所處的環(huán)境有一定的適應(yīng)能力,已被廣泛應(yīng)用于各種條件的測量,主要體現(xiàn)在液位測量、機(jī)械手控制、車輛自動導(dǎo)航和目標(biāo)識別等方面,特別是在空氣中的使用最為突出。

      (2)超聲波是一種目標(biāo)性強(qiáng),能量損耗較慢的聲波,它可以在各種介質(zhì)中進(jìn)行,并且運(yùn)行距離也比較遠(yuǎn),超聲波通常被用于距離的測量,特別是距離較遠(yuǎn)的測量工作。

      (3)超聲波是一種具有反射,折射,散射等聲波傳送的物理性質(zhì)的聲波,它不僅可以與物理產(chǎn)生靈活、緊密的聯(lián)系,還可以對溫度、粉塵濃度和濕度以及電磁干擾較高的環(huán)境下工作。通過計算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳播距離來進(jìn)行距離的測量,超聲波的速度不會受到頻率的影響。超聲波的優(yōu)勢越來越被人們所喜愛。

      2 基于單片機(jī)設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)的工作原理

      (1)超聲波測距系統(tǒng)的工作原理是通過將單片機(jī)發(fā)出的短暫的脈沖信號進(jìn)行放大后利用超聲波換能器將能量輸出,再將超聲波換能器反射回來的信號輸入到系統(tǒng)和信號處理,并通過單片機(jī)計算出時間,再由系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,最后將判斷后的數(shù)據(jù)通過LED顯示電路顯示出來。這個過程主要是由單片機(jī)系統(tǒng)、超聲波發(fā)射和檢測電路完成。超聲波發(fā)射器負(fù)責(zé)讓超聲波在空氣中以特定的速度(v)傳播,在觸碰到檢測物體后又通過被測物體將信號反射回來,由接收機(jī)記錄接收的時間(t)和信號,最后由速度和時間的關(guān)系計算出被測物體的距離。由于超聲波的速度會受到溫度的影響,所以在進(jìn)行檢測時需要注意對溫度的控制。

      (2)超聲波測距系統(tǒng)的發(fā)送與接收電路的設(shè)計是由超聲波產(chǎn)生信號,并通過單片機(jī)的端口將脈沖群發(fā)送(每個脈沖群維持的時間約為1/5000s),再通過三極管將信號進(jìn)行放大,然后經(jīng)過變壓器驅(qū)動超聲波發(fā)射頭,之后在發(fā)射轉(zhuǎn)換能的兩端加上高電壓驅(qū)動內(nèi)部的壓電晶片,最后通過壓電換能器將脈沖超聲波發(fā)出。當(dāng)超聲波觸碰到被測物體時就會形成反射波,同時反射波會將信息返回到傳感器上,最后傳感器再將傳回的信息進(jìn)行處理顯示。

      超聲波傳感器的主要指標(biāo)如下:

      1)傳感器工作的頻率就是指壓電晶片震動的頻率,當(dāng)發(fā)射轉(zhuǎn)換能兩端頻率與壓電晶片頻率越接近時,輸出的能量也就越大靈活度也就越高。

      2)傳感器工作時的溫度取決于超聲波使用時的功率,特別是用于醫(yī)療診斷的超聲波探頭,超聲波探頭的功率越小,工作的溫度也就越低,可以保證超聲波能夠長時間使用。

      3)傳感器工作時的靈活度取決于壓電晶片制造是機(jī)電耦合系數(shù)的大小,機(jī)電耦合系數(shù)越大,那么靈活度就會越高;反之,機(jī)電耦合系數(shù)越小,靈活度越低。

      (3)超聲波發(fā)送的脈沖信號是由單片機(jī)產(chǎn)生的,脈沖信號通過三極管將之放大到一定程度在用驅(qū)動超聲波換能器將超聲波發(fā)射出去,再有脈沖超聲發(fā)射返回的時間計算出被測物體的距離。超聲波的發(fā)射利用了逆電壓效應(yīng),在壓電晶片上施加一定的作用力,使壓電晶片產(chǎn)生相互作用力從而推動超聲波發(fā)射。

      3 超聲波的算法分析

      如表1所示為不同溫度下的超聲波聲速,如超聲波發(fā)生器在某一時段發(fā)出超聲波信號,當(dāng)超聲波接觸到被測物體時就會反射回到超聲波接收器中,這樣只需要計算超聲波發(fā)出和反射回來的時間,就可以計算出超聲波發(fā)生器與被測物體的距離,距離測算公式為:。d代表的是被測的距離,s表示聲波發(fā)射和返回的路程,v表示超聲波的速度,t表示超聲波發(fā)出到返回的時間。超聲波往返的時間與溫度之間有著密切的聯(lián)系(見表1)。如果溫度的變化不是很大,則可近似認(rèn)為超聲波的速度保持不變,如能夠確定超聲波來回的時間,最后就能夠確定超聲波發(fā)生器與被測物體的距離。

      4 超聲波測距系統(tǒng)誤差分析

      4.1 超聲波的聲速對測量精確度的影響

      準(zhǔn)確確定超聲波的聲速是保證測量精確度的首要條件,因為傳播介質(zhì)的溫度、壓力和密度都會對超聲波的聲速造成不同程度的影響。傳播介質(zhì)中超聲波速率的變化對超聲波測距精確的影響因素分析如下:

      (1)傳播介質(zhì)的中溫度對超聲波聲速的影響。聲波在大氣中傳播時,溫度的變化是造成超聲波聲速變化的主要原因??梢岳迷O(shè)定聲速和結(jié)合控制傳播介質(zhì)的溫度來對聲速進(jìn)行修改,此方法可有效減小因傳播介質(zhì)溫度的變化帶來的誤差。如果對測量精確度要求不高時,可不用對溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般情況,當(dāng)溫度為20℃左右時,波速度可取340m/s作為定量計算;當(dāng)溫度在-10℃~40℃之間變化時,超聲波聲速的誤差在-5%~5%之間變動。如果測量的地點(diǎn)是在室外,可以將該地區(qū)不同季節(jié)的溫度變化做一個統(tǒng)計,再根據(jù)測量精度要求對溫度進(jìn)行一定的調(diào)節(jié),這樣可以減小測量誤差和節(jié)約成本。

      (2)傳播介質(zhì)的中空氣密度對超聲波聲速的影響。當(dāng)空氣的密度增大時,可知超聲波的聲速就會變大,反之,當(dāng)空氣的密度減小時,超聲波的聲速就會變小。另外,空氣密度和溫度也存在一定的關(guān)聯(lián)。超聲波聲速與溫度之間關(guān)系可表示為:

      其中,d表示超聲波測出的距離,v表示超聲波在傳播介質(zhì)中的聲速,v0表示溫度為零攝氏度時超聲波的聲速332m/s,t表示超聲波發(fā)出到返回的時間,T(℃)表示傳播介質(zhì)的溫度。另外,近似公式:v=v0+0.607×T,其中v0表示溫度為零攝氏度時超聲波的聲速332m/s,T表示測量時的傳播介質(zhì)的實際溫度。如果超聲波測距的精確度要求是在1mm的話,那么必須考慮將超聲波的速率與環(huán)境溫度之間的關(guān)系。比如當(dāng)溫度在零攝氏度時,超聲波的聲速是332m/s,當(dāng)溫度在30℃時超聲波的聲速是350m/s,可知當(dāng)溫度每增加30℃超聲波聲速相應(yīng)增加18m/s。如果環(huán)境溫度保持在0~30℃之間,則測量距離為100m的誤差約為5m。

      4.2 時間誤差對超聲波測距精確度的影響分析

      如果超聲波測距的精確度要求是在1mm時,當(dāng)室溫為20℃時超聲波聲速取344m/s,忽略聲速的誤差,測距的時間約為2.907μs。在超聲波聲速值是準(zhǔn)確的條件下,只要將測距的傳播時間的誤差限定在微秒(μs)范圍內(nèi),就可以保證測距的精確度小于等于1mm。

      5 結(jié)束語

      隨著科技和經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展,人們對于超聲波的運(yùn)用已越來越廣泛。如今在我國大部分基于單片機(jī)設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)已經(jīng)使用進(jìn)了全新的方法,不僅提高了我國工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,在更大程度上對于我國的工業(yè)發(fā)展有著很積極的作用。全球經(jīng)濟(jì)化使得社會不斷地向前發(fā)展著,為了能夠提供更多更好的合理化超聲波測距技術(shù),就必須先了解其性能,同時對其發(fā)展趨勢做出合理的分析,進(jìn)而對產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新性改進(jìn)和設(shè)計,滿足市場的需求。總之,根據(jù)目前社會發(fā)展和全球一體化發(fā)展的趨勢下,必須要創(chuàng)新性地設(shè)計和優(yōu)化超聲波測距系統(tǒng),才能夠讓基于單片機(jī)設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)在未來得到更好的發(fā)展。

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      基金項目:廣西省高等教育本科教學(xué)改革工程項目,編號:2012JGA217。

      作者簡介:蔣禮林(1978-),男,壯族,廣西桂林人,研究生,副研究員,研究方向:基于虛擬實驗和電子系統(tǒng)設(shè)計。

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