|
新型高精度一體反射型超聲波傳感器測距系統(tǒng)研制 以單片機(jī) 、紅外遙控接收器 、模擬電子開關(guān)為核心 ,設(shè)計(jì)了一體反射型超聲波傳感器測距電路 ,完成了感測系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) ,并進(jìn)行了詳細(xì)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:提出的設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)簡單 、精度高、重復(fù)性好 、可靠性高 、成本低 ,具有普遍的應(yīng)用意義和廣泛的應(yīng)用價值。 該方法在移動機(jī)器人避障中得到了良好的應(yīng)用。 0 引言 超聲波傳感器是測距常用傳感器之一 ,有以下優(yōu)點(diǎn) : (1)超聲波的傳播速度僅為光波的百萬分之一,因此可以直接測量較近的距離 ,縱向分辨率較高; (2)超聲波對色彩、光照度不敏感 ,適用于識別透明、半透明及漫反射差的物體 (如玻璃 、拋光體等 ) ; 一體反射式超聲波傳感器采用 單個超聲波 探頭 ,采用脈 沖驅(qū)動換能器發(fā)射超 聲波 ,當(dāng) 發(fā)射停 止時換 能器 轉(zhuǎn)為 接收 器 ,接收反射回來的音波 。 由于采用單探 頭工作 ,更易于實(shí) 現(xiàn)測控 系統(tǒng)的小型化和集成化 。 且一體反射 型超聲波傳 感器收 發(fā)同體 ,因此不存在雙探頭間距帶來 的測量誤 差 。 在現(xiàn) 有文獻(xiàn) 中 [1 - 4 ] ,一體式超聲波傳感驅(qū)動都采用脈 沖變壓器 ,不但起 到升壓 作用 ,同時起到傳感器輸 入和 輸出間的隔 離作用 。 文中 設(shè)計(jì)了 基于單片機(jī) +紅外遙控接 收器 CX20106 +模擬 電子開關(guān) CD4066的新穎的一體式超 聲波 傳感器 測距 電路 ,該電 路結(jié) 構(gòu)簡 單 、穩(wěn)定可靠 、測量精度高 ,在移動機(jī)器人避障中得到了良好的應(yīng)用 。 超聲波傳感器最常用的測距方法是回波探測法�；驹硎抢每刂破魍ㄟ^發(fā)射探頭發(fā)出一定頻率的超聲波，接收探頭等待經(jīng)障礙物反射回來的超聲波，只需計(jì)算發(fā)射信號到接收信號的時間，就可以計(jì)算出障礙物的距離L。
式中 : c為聲速; t為發(fā)射到接收的時間間隔。 2 一體反射式超聲波傳感器測控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 由于壓電材料易碎，并因絕 緣 、密封 、阻抗匹配等要求，超聲換能器往往封裝在探頭外殼內(nèi)，使壓電材料與探頭表面有一定距離，這樣在測量過程中會帶來測量誤差。超聲波探 頭表面有層防護(hù)網(wǎng)，因此無法直接對此距離進(jìn)行測量。
由此可得 :
經(jīng)過多次測量 ,得到傳感器 L0 的平均值為 7 mm. 2. 2 超聲波傳感器感測電路總體設(shè)計(jì) 一體反射式超聲波傳感器感測電路如圖1所示。 單片機(jī)通過74HC04控制超聲波傳感器發(fā)射 , CX20106 和外圍器件組成回波檢測處理電路。 由于一體反射式超聲波傳感器發(fā)射電路與接收電路都用相同的傳感器引腳輸入輸出 ,如不將 輸入輸出隔離開 ,發(fā)射時接收電路就產(chǎn)生動作 ,而接收時接收電路又會受到發(fā)射電路的影響因此必須使發(fā)射 電路與接收電路隔離開,引腳在輸出和輸入時分時復(fù)用。采用因此必須使發(fā)射電路與接收電路隔離開 ,引腳在輸出和輸入時分時復(fù)用。 采用CMOS雙 向模 擬開關(guān) CD4066BE實(shí)現(xiàn)發(fā)射與接收的隔離 。
圖 1 一體反射式超聲波傳感器感測電路原理圖 2. 3 發(fā)射接收隔離電路設(shè)計(jì) CD4066[5 ]內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示 ,每片封裝有4個獨(dú)立的模擬開關(guān) ,每個開關(guān)有輸入、輸出、控制三端。 當(dāng)控制端加高電平時 ,開關(guān)導(dǎo)通 ;當(dāng)控制端 加低電平時開關(guān)截止。 模擬開關(guān)導(dǎo)通時，當(dāng)電源電壓為5V時，導(dǎo)通電阻小于80Ω ;模擬開關(guān)截止時，呈現(xiàn)很高的阻抗。 模擬開關(guān)可傳輸?shù)哪M信號的上限頻率為40MHz. 4個開關(guān)控制CONA、 CONB、 CONC、 COND分別 為開關(guān) SWA、 SWD、 SWB、 SWC 的控制端 (如圖 1所示 ) ,由單片 機(jī)P1. 2 - P1. 5 腳控制。 開關(guān)SWA、 SWB控制超聲波發(fā)射,74HC04的輸出接到CD4066 的 1、 4端 , CD4066的2、 3 端接超聲波傳感器 ,由單片機(jī)P1. 2、 P1. 4控制開關(guān)導(dǎo)通和截止。 開關(guān)SWC、SWD控制超聲波接收，超聲波傳感器 兩引腳通過開關(guān)分別和CX20106的1腳、 地相連,單片機(jī)的P1. 3、 P1. 5 腳控制SWC和SWD的開合。
圖 D 66內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2. 4 發(fā)射電路設(shè)計(jì) 當(dāng)外加信號頻率等于兩壓電晶片的 固有振動 頻率時 ,將會發(fā)生共振 [6 ] 。 采 用的 超聲波 傳感器 中心 頻率為 40 kHz,因此 ,在發(fā)射電路中 ,通過軟件編程方 式 ,對 單片機(jī) I/O口 P1. 1置高和置 低 , 產(chǎn) 生 40 kHz 脈 沖 信 號 ,輸 出 到 發(fā) 射 電 路 中 。 由 于AT89S51單片機(jī) P1口作為 I /O口使用時能提 供 20 mA灌電流能力 ,而吸電流能力較小 ,所以用 74HC04來提高其輸出電流的能力 ,保證 40 kHz的脈沖信號有一定的功率 。 超聲波發(fā)射模塊原理圖見圖 1。 P1. 1口產(chǎn)生周期為25μs的調(diào)制脈沖 波 ,經(jīng)過74HC04后在超聲波傳感器發(fā)射探頭兩端輸入 反向同頻脈沖 ,可以增大超聲波傳感器的發(fā)射功率 。 采用探頭發(fā)射若干個脈沖波 ,然后停止發(fā)射 ,接收探頭等待反射信號 的方式 。 采用軟件延時方式每隔一段時間發(fā)射1次 ,定時器 T1既 控制發(fā)射間 隔時間 ,又通過T1計(jì)算發(fā)射到接 收信 號所 用的時間 ,從而計(jì)算障礙物距離 。 由于采用 12 MHz晶振時 , 16位定時器最長可定 時 65 536μ s,可使用軟件控制T1計(jì)數(shù)次數(shù)來增大發(fā)射間隔時間 。 發(fā)射間隔時間必須大于發(fā)射到接收回波的時間 。 發(fā)射間隔時間越長 ,檢測越可靠 (時間越長聲波衰減越多 ,多次反射信號越少 ) ,但如用于機(jī)器人避障 ,則機(jī)器人對障礙物反應(yīng)越慢、實(shí)時性越差。 示波器采集的發(fā)射波形如圖3所示 ,每次發(fā)射 4個脈沖 。 實(shí)驗(yàn)表明 ,每次只要發(fā)射2個脈沖 ,就可以使傳感器工作。 如發(fā)射脈沖波數(shù)太大 ,則發(fā)射能量增大 ,超聲波衰減速度變慢 ,多次折射返回信號可能會使接收探頭誤觸發(fā) 。 而且發(fā)射脈沖數(shù)越多,測量盲區(qū)也越大。 因此 ,在實(shí)驗(yàn)中選擇采用個發(fā)射脈沖 。
圖 3 超聲波傳感器發(fā)射脈沖及余振信號 采用單片機(jī)定時器作為距離測量計(jì)數(shù)器 ,設(shè)超聲波波速為34m / s,由式 (1)可得 :如果定時時間為65536 μ s則可測距離為L = 344 ×( 01065536/2) = 111272192 m. 當(dāng)然 ,經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明所用的測量電路 ,由于發(fā)射功率較弱 ,最遠(yuǎn)可測距離在5m 左右 ,如需測量更遠(yuǎn)距離 ,可將單片機(jī)輸出的調(diào)制波通過脈沖變壓器升壓后驅(qū)動超聲波探頭。 由于研 制的移動機(jī)器人主要用于室內(nèi),速度較慢 ,對障礙物的檢測在 5 m左右已足足有余 ,因此將單片機(jī)口的調(diào)制波直接加到超聲波傳感器 。 2. 5 超聲波接收電路設(shè)計(jì) 超聲波接收處理電路采用集成 電路 CX20106。 CX20106[7 ]為紅外接收專用集成電路 ,在此利用 CX20106作為 超聲波傳感器接收信號的放大檢波裝 置 ,亦取得良好的效果 。 CX20106 采用8腳單列直插式塑料封裝，內(nèi)含前置放大、限幅放大、自動偏置、通帶濾波 、峰值檢波 、積分比較及施密特整形輸出等電路。CX20106的總放大增 益約為80dB，以確保其7腳輸出的控制脈沖序列信號幅值在315～5V范圍內(nèi)。 3 一體反射式超聲波傳感器盲區(qū)的確定 一體反射式超聲波傳感器存在盲區(qū) ,主要由2個因素造成: (1)一體式超聲波傳感器檢測需要控制器通過切換電路控制發(fā)射與接收，所以切換時間間隔 (CD4066關(guān)斷發(fā)射、打開接收所用時間 )會形成盲區(qū)。 (2)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) ,發(fā)射信號過后傳感器的壓電陶瓷存在余振(如圖3所示) ,如果立刻打開接收電路 ,余振信號會引起誤判斷 ,如圖4所示 ,如在發(fā)射脈沖剛結(jié)束時 就打開單片機(jī)中斷 ,則會接收到誤觸發(fā)信號。 因此也存在盲區(qū)問題，這是引起盲區(qū)的主要因素。 余振的強(qiáng)弱與傳感器、發(fā)射信號強(qiáng)弱都有關(guān),從示波器上看出選用的傳感器余振約在700μ s后消失,因此盲區(qū)距離最小為L = 344 ×( 01000 7 /2) = 0112 m. 實(shí)際使用時應(yīng)將盲區(qū)設(shè)置大些以提高測量可靠性 。
圖5 多種反射信號 采用CD4066作為輸出于輸入的隔離裝置 ,避免了使用脈沖變壓器的麻煩 ,但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), CD4066中模擬開關(guān)動作會造成接收電路的誤觸發(fā)。 如圖6所示 ,當(dāng)接收用開關(guān)SWC、SWD閉合后,會在短暫時間內(nèi)引起信號線上產(chǎn)生電壓，從而引起CX20106誤觸發(fā)。 因此如果在發(fā)射時打開SWC、SWD，在接收時關(guān)閉SWC、 SWD ,則會產(chǎn)生誤觸發(fā)信號。 可以采用增加盲區(qū)寬度的方法來避免CD4066模擬電子開關(guān)閉合引起的誤觸發(fā)，但盲區(qū)距離過大，影響了超聲波傳感器近距離檢測。
圖 7 顯示電路原理圖 6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 數(shù)碼管顯示電路如圖7所示。T1用于一體反射式超聲波傳感器發(fā)射時間間隔控制及距離的計(jì)數(shù)。 程序中可使用軟件標(biāo)志位控制T1計(jì)數(shù)次數(shù)來增大發(fā)射間隔時間。 程序定義數(shù)碼管段碼查詢單元及全局變量如下 : 7 探測范圍和精度測量 由于CD4066存在導(dǎo)通電阻 ,相當(dāng)于降低了傳感器發(fā)射功率，因此檢測距離會略受影響。 在空曠地帶將一塊3cm×3cm的方形塑料板在超聲波可達(dá)范圍內(nèi)移動，超聲波傳感器可以穩(wěn)定檢測到障礙物最遠(yuǎn)距離為5m ,測量范圍左右邊線的夾角為60°左右 ,則超聲波傳感器擴(kuò)散角約為 60°,在空間形 60°的類圓錐體狀聲波場。 顯著提高了供電效率。 如果利用鉗形表互感器, 則可以在帶電情況下接入，適用于各種電力系統(tǒng)的臨時能力查定。 最大限度地減少了不必要的停電。為電力管理工作提供可靠 的科學(xué)手段。因此該技術(shù)很有發(fā)展前景。 參考文獻(xiàn) : 班寧產(chǎn)品匯總 |
