基于温度补偿的超声波测距设计

　　0引言

　　超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它是由与介质相接触的振荡源所引起的,其频率在20000Hz以上。由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点,常用于测量物体的距离、厚度、液位等。另外,它是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比,如电磁的或光学的方法,它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。但值得注意的是,超声波在空气中传播速度会随介质温度的升高而增加,气温每上升1e,声波速度增加016m/s,所以在测量中要考虑温度变化的因素,进行温度补偿修正减少测量误差。

　　1超声波测距原理

　　超声波测距的方法有多种,如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高,但检测范围有限;声波幅值检测法易受反射波的影响。本系统采用超声波渡越时间检测法。即测取超声波从发射地至目的地传输所经过的时间,当超声波发生器发射出超声波,开始计时,到超声波经空气传播至目标,再反射回传播至超声波接收器,计时停止,测得的传输时间为t。由下式可以求出声波发射地与目标之间的距离L

　　式中,c为超声波在空气中的传播速度。渡越时间t的测量,采用单片机脉冲计数的方法,可以精确地测出。把时间t转换成脉冲计数量N,则有

　　式中,N为计数脉冲个数;f为计数脉冲频率。由于声波速度受温度影响较大,其传播速度与环境温度T的关系可由下式描述。

　　在测量中需按上式对声波速度进行修正,以减少测量误差。

　　2系统组成结构

　　超声测距系统由控制器、超声波探头、LCD显示器、发射接收电路、温度补偿电路构成。结构如图1所示。在单片机产生的控制信号作用下,超声波发射电路产生40kHz左右的脉冲,经放大后驱动发射端的超声波换能器,发出同频率的超声波,同时单片机内计数器开始计数。超声波被反射后再经接收端的超声波换能器转换为电信号,经滤波放大后送给检波器。一旦检波器收到回波,计数器便停止计数,得到计数值。然后单片机再根据计数频率和温度补偿电路测得的声速,计算得到距离。

　　2.1发射电路

　　本系统的超声波发射电路由CMOS四与非门构成受控多谐振荡器,电路简单可靠,且频率可调,如图2所示:

　　电路中YF1~YF4采用高速CMOS电路74HC00四与非门电路,完成振荡及驱动功能,通过超声换能器T40-16辐射出超声波。其中门YF1与门YF2组成可控振荡器,YF1一输出端接单片机P010,当单片机P010输出高电平时,振荡器起振,输出低电平时,振荡器停振,调整RP可改变振荡频率,应调整为40kHz。振荡信号分别控制由YF4、YF3组成的差相驱动器工作,当YF3输出高电平时,YF4一定输出低电平;YF3输出低电平时,YF4输出高电平。此电平控制T40-16换能器发出40kHz超声波。该电路特点是输出驱动电流大(大于15mA),效率高等。当电路工作电压9V时,工作电流大于35mA,发射超声波信号大于10m。