文档介绍：高精度超声波智能测距仪的设计与实现
高精度超声波智能测距仪的设计与实现
超声波是频率高于20KHZ的声波,它指向性强,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。利用超声波检测迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,在使用中不受光线、粉尘、电磁波等因素影响,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、避障、车辆的定位与导航、液位测量等领域应用广泛。
1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。已知超声波在空气中的传播速度为c,根据计时器记录的发射和接收的时间差t,就可以计算出发射点距障碍物的距离s,即:s=ct/2。
2误差分析
根据超声波测距原理s=ct/2,可知影响测量距离准确性的因素有两个:传播速度c和时间差t。所以尽可能地消除这两个因素的影响就可以提高测量的精度。
超声波传播速度在固体中最快,在气体中最慢。超声波在空气中传输速度和温度有关,温度越高传输速度越快。如果环境温度变化明显,必须考虑温度补偿问题。空气中超声波传输速度和温度关系表示为:c=+(m/s)
式中T为环境温度,℃。
常温下超声波传播速度是340m/s,由于反射式测量有两倍的测量路程,则被测距离和测量时间的关系为d=340/2t,。所以采用计时器的计数频率为1MHZ时,。这种分辨率已满足绝大多数工业测量的要求。
3系统硬件设计
如图1,超声波智能测距仪主要包括:飞思卡尔单片机MC9SXS128、超声波发送电路、超声波接收电路、DS18B20测温电路、LCD1602液晶显示电路、报警电路。
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图1系统硬件框图
超声波发射电路由LM555时基电路及外围元件构成40KHZ多谐振荡器电路,调节电阻器RP阻值,可以改变振荡频率。由LM555第3脚输出端驱动超声波换能器T40 -16,使之发射出超声波信号。如图2所示,电路简单易制,发射超声波信号大于8m。
图2超声波发射电路图
。超声波换能器在接收到超声波信号时,由于压电效应会在两个接头上产生微弱的电压信号。利用这一性质,设计前置放大电路,带通滤波、自动增益控制电路和整形电路,将模拟信号转变成为数字信号。
超声波接收的回波信号幅值随着被测距离的增大呈指数规律衰减,目标距离越远回波信号幅度越小。以接收回波信号的幅值超过固定阈值的时刻作为计时的停止信号,会导致计时误差随测量距离的增加而增大。因此,设计了自动增益控制电路,电压放大倍数随测量距离的增大而呈指数规律增加,使接收回波信号的幅值基本保持不变,再通过整形电路输出,就可以明显地提高测量精度。本系统设计了通过软、硬件结合的AGC电路,它是由可编程放大器AD620、数字电位器MAX5400结合单片机实现的。
图3自动增益控制(AGC)电路原理图
AD620是一种电阻可编程放大器,内部由三运放组成,具有很高的精度和共模抑制比。增益