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嵌入式超声波测距仪的设计

导读: 随着电子技术的发展,测距技术越来越先进,从采用卷尺人工进行丈量,到用水准仪和三角理论进行测量计算,甚至采用激光测距等,这些测量手段因精度低、操作繁琐或成本高而不尽人意。随着超声波的应用日益广泛,超声测距在测试领域中得到应用。

  引言

 

  随着电子技术的发展,测距技术越来越先进,从采用卷尺人工进行丈量,到用水准仪和三角理论进行测量计算,甚至采用激光测距等,这些测量手段因精度低、操作繁琐或成本高而不尽人意。随着超声波的应用日益广泛,超声测距在测试领域中得到应用,该类产品如进口的超声波液位计、超声波测位仪等性能虽好,但价格昂贵。目前,超声波传感器技术已广泛用于工业、国防、交通、生物医疗和家庭领域。超声波传感器技术与信息技术、集成工艺相结合,为开发智能化、高灵敏度的超声波仪器设备创造了有利条件。鉴于此,运用嵌入式单片机技术、结合CAN总线通信协议标准、设计一种嵌入式超声波测距仪具有很大的发展前景。它可以做到成本低、外围电路简单、功能齐全、能够满足一定的测量要求。

 

  1 超声波传感器

 

  1.1 典型结构

  超声波传感器是利用超声波的特性而研制的传感器,超声波传感器的典型结构如图1所示。它是把成正方形的两个压电晶片(亦称双晶振子)按照相反的极性粘贴在一起,再引出两个电极。压电晶片上面有金属震动板和圆锥形振子。圆锥形振子具有很强的方向性,便于发送和接收超声波。超声波传感器采用金属或塑料外壳,其顶部有屏蔽栅。

 

  

 

  1.2 测距原理

  超声波具有频率较高,沿直线传播、方向性好、绕射小、穿透力强、传播速度慢(约340m/s,与声速相同)等特点。

  超声波对固体和液体的穿透能力强,尤其对于在阳光下不透明的固体,可以穿透几十m的深度。超声波遇到杂质或分界面时会产生反射波,利用这一特性可构成超声波探伤仪或测距仪。超声波遇到移动物体时会产生多普勒效应(DopplerEffect),使接收到的频率发生变化,由此可制成多普勒测距系统。

  超声波测距原理是超声波发射探头发出的超声波脉冲,经媒质(空气)传到物体表面,反射后通过媒质(空气)传到接收探头,测出超声脉冲从发射到接收所需的时间,根据媒质中的声速,求得从探头到物体表面之间的距离。设探头到物体表面的距离为L,超声在空气中的传播速为v,从发射到接收所需的传播时间为t,则有:L=vt/2。由此可见,被测距离L与传播时间之间具有确定的函数关系,只要能测出时间t,即可求出距离L,通过软件实现直接在显示器上显示L的值。

 

  2 硬件电路设计

 

  2.1 整体方案设计

  根据所给的设计要求,即具有数字显示、键盘输入、超声波发射与接收、能通过CAN总线与上位机进行通信、异常情况自动报警等功能。可以构架出此嵌入式超声波测距仪的整体方案设计框图如图2所示。从图2中可以看出整体硬件电路设计主要包括:微处理器AT89C51部分、电源电路部分、超声波发射与接收电路部分、键盘输入部分、CAN总线通信部分、LED显示部分。现将重点介绍超声波发射、接收电路和CAN总线通信电路的具体设计。

 

  

 

  2.2 超声波测距电路

  超声波测距电路主要包括两个部分:超声波发射电路和超声波接收电路,具体的电路设计如图3所示。图2中上半部分就是超声波发射电路,微处理器AT89C51通过编程在端口P16产生一个40kHz的超声波信号,经过两个74LS14非门将信号驱动整形,再由三极管Q9对其进行放大,最后经过变压器T1送到超声波传感器CSB-T40,这样就可以通过超声波传感器CSB-T40发出相应的超声波信号。而图3中的下半部分就是超声波接收电路,超声波信号通过障碍物发射到超声波传感器CSB-R40后,产生一定的电信号,电信号通过集成块BX1490放大后送到了2个74LS14非门电路整形,最后进入微处理器AT89C51的P17端口。这样就完成了1次超声波测距的扫描过程,它可以通过程序来控制计数器,将计数器的数据转换为相应的时间,再用时间乘以超声波的传播速度后除以2,既可以得到障碍物与超声波传感器之间的距离。

 

  

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