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#26377;的固有频率特性,使超声波测距系统可部分采用选频电路,这具有很高的抗干扰性能.但由于这个特性,使频分制超声波多通道检测系统,实现起来不太方便.在多通道超声波检测系统中,一般采用码分制.1.单通道超声波检测电路
单通道超声波检测电路比较简单,其原理图如图2-4所示
图2-4单通道超声波测距电路原理图
单通道超声波测距电路的发射器一般由超声波信号振荡器(由AT89C2051单片机来实现),驱动电路,超声发射器件(超声波传感器发射TX401)构成,接收电路一般由超声波接收器(超声波传感器接收RX401),前置放大器,记忆驱动电路,执行电路构成.
2.多通道超声波检测电路
超声波多通道检测电路一般采用码分制,图3-2是码分制超声波电路的原理图.
图2-5码分制超声波测距电路原理图
由图2-5可见,码分制超声波测量电路与码分制红外遥控电路的结构基本相同,只是发射与接收的器件不同而已.总而言之,超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离:当发射超声波时,发射信号虽然只维持一个极短时间,但停止施加发射信号后,探头上还存在一定余振(由于机械惯性作用).因此,在一段较长时间内,加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具有一定幅值高度,可以达到限幅电路的限幅电平.当反射面离探头越来越远,接收和发射信号相隔时间越来越长,其幅值也越来越小.在超声波检测中,接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多.为保证一定的信噪比,接收信号幅值需达到规定的阐值V,亦即接收信号的幅值必须大于这一m值才能使接受放大器有输入信号.由图3-3,从b点以后,接收的信号低于阐值,相当于测距的远限.另外,从图中A点以后,接收信号才比发射信号大,但还将与发射信号相迭加,难以分辨.从c点以后,发射信号低出阐值V,接收信号才基本摆脱发射信号干扰,而能明显的被分辨,所以在要求较高是,把oc这段时间规定为盲区时间.从距离上说,根据盲区时间和声速,就可以求得盲区距离.因此,cb为可测距范围,b点就为测距远限,其外部就为测量不到的区域.
图2-6传感器回波原理分析
2.5超声波的衰减
声波在媒质中传播时,其强度随传播距离的增加而逐渐减弱的现象,统称为声衰减.声波的衰减主要分为以下三种主要类型:吸收衰减,散射衰减和扩散衰减.其中,吸收衰减主要是由媒质的粘滞性,热传导及各种弛豫过程引起的:散射衰减是由于声波在遇到媒质界面时,向不同的方向产生散射,从而导致声波减弱,扩散衰减则是由声源特性引起的,是因为声波传播过程中因波阵面的面积扩大导致的声强减弱,若声源辐射的是球面波(波阵面是同心球面),其波阵面随的平方增大,声强随规律减弱.声波的描述方程与电磁波是类似的:
(2.2)
上式中,A(x)为振幅,为传播角频率,为传播时间,为传播距离,为波速,为声波波长.
由于声波的衰减,使得随传播距离的变化而变化.声学理论证明,吸收衰减和散射衰减都遵从指数衰减规律.对沿X方向传播的平面波而言,由于不需要计算扩散衰减,则的变化规律可以由下式表示:
(2.3)
为声源处质子振幅,为不变量,为衰减系数.衰减系数与声波所在介质及频率的关系为:
(2.4)
其中,为介质常数,为振动频率.在空气中,,当振动的声波频率时,可得,即.它的物理意义在于:超声波在空气媒介中传播,因空气分子运动摩擦等原因,能量被吸收损耗,在长度上,平面声波的振幅衰减为原来的1/e.而且,频率越高,衰减系数a越大,传播的距离也越短.在实际的应用中,一般选用30-100KHz的超声波进行距离测量,比较的典型的频率为40KHz.
2.6主要技术指标
测量范围:0.5～3m
测量精度:1cm
2.7总结
以上对超声波测距的基本原理及超声波传感器作了介绍.关于超声波的发射电路,接收前置放大,脉冲形成与记忆电路,电源电路,以及码分制超声波测距电路中的编码与解码电路,脉冲调制与解调电路.可以参考红外发送电路.
在设计超声波传感器测距电路时应注意以下几点:
1.超声波传感器作为谐振器件,驱动时所需电流较小,一般仅为几毫安到十几毫安.但要有一定幅度的驱动电压,驱动电路不加限流电阻.
2.发射器驱动电压的频率一定要接近传感器的中心频率,设计时元件参数
经过比较精确的计算.调试时要注意通过频率计来监测频率.
要选用阻抗较高的前置放大器,以获得较高的接收灵敏度和选择性.
3硬件电路设计
3.1AT89C51和AT89C2051的区别
AT89C51和AT89C2051都是AT89系列的典型代表,价格便宜,都可以用于超声波测距仪中.
表1AT89C51和AT89C2051主要性能表
AT89C51AT89C20514KB可编程Flash存储器(可擦写1000次)2KB可编程Flash存储器(可擦写1000次)三级程序存储器保密两级程序存储器保密静态工作频率:0Hz-24MHz静态工作频率:0Hz-24MHz128字节内部RAM128字节内部RAM2个16位定时计数器/计时器2个16位定时计数器/计时器一个串行通讯口一个串行通讯口六个中断源六个中断源32条I/O引线15条I/O引线片内时钟振荡器一个片内模拟比较器从上表可以看出它们大体相同,由于AT89C2051的IO线很少,导致它无法外加RAM和程序ROM,片内Flash存储器也很少,但它的体积比AT89C51小的多,价格也便宜一些.由于超声波测距仪的电路比较简单,AT89C2051已经足够使用,所以使用AT89C2051作为主控制器.
AT89C2051是一个2k字节可编程EPROM的高性能微控制器.它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容,因而是一种功能强大的微控制器,它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案.AT89C2051支持二种软件可选的电源节电方式.空闲时,CPU停止,而让RAM,定时/计数器,串行口和中断系统继续工作.可掉电保存RAM的内容,但可使振荡器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位. AT89C2051有2个16位计时/计数器寄存器Timer0Timer1.作为一个定时器,每个机器周期寄存器增加1,这样寄存器即可计数机器周期.因为一个机器周期有12个振荡器周期,所以计数率是振荡器频率的1/12.作为一个计数器,该寄存器在相应的外部输入脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1至0的变化时增1.由于需要二个机器周期来辨认一次1到0的变化,所以最大的计数率是振荡器频率的1/24,可以对外部的输入端P3.2/INT0和P3.3/INT1编程,便于测量脉冲宽度的门.充分利用AT89C2051的片内资源,即可在很少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统.
图3-1AT89C2051的管脚图
表2AT89C2051管脚功能
管脚接脚符号方向信号I/O(输入/输出)方向与功能12～19P1.0～P1.7(P1)I/OP1口:是一个8位双向I/O口,具有内部提升电阻,P1口的输出缓冲能够吸收或者供应4个TTL负载电流,P1接脚被写入1后,由内部提升拉为高电位状态,此时可做为输入脚,做输入时,P1口如果被外部信号拉低电位(Pulllow),将因内部提升而提供电流(I)P1.0管脚第二功能:AIN0电压输入比较器P1.1管脚第二功能:AIN1电压输入比较器2～3
6～9
11P3.0～P3.1P3.2～P3.5P3.7(P3)I/OP3口:是一个8位双向I/O口,具有内部提升电阻,P3口的输出缓冲能够吸收或者供应4个TTL负载电流,P1接脚被写入1后,由内部提升拉为高电位状态,此时可做为输入脚,做输入时,P1口如果被外部信号拉低电位(Pulllow),将因内部提升而提供电流(I)
P3口还做为特殊功能接脚,详见下面列表P3.0管脚第二功能:RXD(串行口输入端)P3.1管脚第二功能:TXD(串行口输出端)P3.2管脚第二功能:INT0(外部中断0)P3.3管脚第二功能:INT1(外部中断1)P3.4管脚第二功能:T0(定时器0外部输入)P3.5管脚第二功能:T1(定时器1外部输入)5XTAL1I时钟振荡器输入脚:输入信号接到单片机内部的反相振荡放大器及内部时钟脉冲发
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