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1、便携式 多功能超声波测距仪的设计与实现山东轻工业学院信控学院题目：便携式 多功能超声波测距仪的设计与实现第二届“银兴杯”电子设计大赛设计方案作品名称：便携式 多功能超声波测距仪的设计与实现便携式 多功能超声波测距仪的设计与实现引言 尽管测距有多种方法，比如激光 、微波、红外、超声等但是超声测距 不失为一 种简单可行 的方法。近十年来 ，国外用于工业 自动化 和机器人 的超声测距 的各种研究开展的十分广泛，国外已经形成产品的超声测距传感器及其系统主要 有美国的POLARID, MASSA，德国的SIMENS，法国的R()BOSOFT等公司。 我国近年来也在超声测距，导航方面开展了一些研究 ，目前
2、超声测距仪 主要应 用 于工业测量和避障等 ，但是超声波测距方法有一定 的缺点如精度不高 ，距 离过短等 ，在探测距离 和精度上及功能的完善上都还有待提高 。本设计 由于 考虑 了环境湿度对声速 的影响，在算法上通过环境的湿度、温度值对声速做补 偿，同时加入激光定位，为超声波的发射与接收角度做定位，达到提高测量精度 的目的。l 多功能超声波测距仪的工作原理与模块 电路1.1超声波测距仪的工作原理超声波的产生与接受通常 由两只结构完全相 同的超声压电换能器分别完成。超 声波的产生是利用压电陶瓷的逆压电效应 ，在交变 电压作用 下，压 电陶瓷纵 向长度周期性地伸缩 ，产生机械振动而在 空气 中激发
3、出超声波 ；超 声波的接受则是利用压电陶瓷的正压 电效应是声压变化 为电压的变化。超声测距的原理大多采用渡越时间法，即：D= C t/2(1)式中：D为换能器与障碍物之间的距离；C为声波传播速度，c= prRT/M : r为气体定压比热与定容比热之比；R=8. 314 Jmol -1K -1 , R为普实气 体常数；T为绝对温度；u为气体的分子量；t为超声波发射到返回的时间间隔。 超声波测距仪 的工作 原理通 常为：在单 片机的控制 下，超声波发射电路产 生 40 kHz 脉冲，经过放大后驱动发射端发射。同时单片机内部计数器开始计数， 超声波被反射后再接收端转换为电信号，经过滤波放大后送给检波
4、器 ，一旦检 波器收到了回波 ，计数器就停止工作 ，得到计数值。然后单片机根据计数频率 和温度湿度补偿 电路测得声速，计算并得到待测距离 。1.2超声波测距仪的模块电路超声波测距 仪的设 计通常分为 5 个模块。超声波发射接收模块，激光发射模 块，人机交互模块，测温、湿度测量模块，单片机控制与显示模块组成。 5 个模 块协同工作 共同完成检测任务。结构如图 1 所示。图1 统硬件结构图(1) 单片机控制与显示模块 单片机控制模块用于整体控制，超声波的发射接收，人机交互控制，算法实现， 进制转换等功能。单片机选用ATMEL公司的ATMEL8单片机，此单片机响应 快，寿命长 ，性能稳定 ，功耗低
5、，价格低廉。 显示模块采用 1602 型液晶显 示器， 其功耗低，操作简单，体积小。(2) 超声波发射接收电路 超声波发射接收电路负责信号的发射和信号的放大接收。超声波发射电路通常采 用NE555构成的振荡电路，发射部分产生40 kHZ脉冲信号，由单片机的P1 0 引脚提供，此脉冲控制开关晶体管来控制脉冲信号的发射。考虑到发射功率的 问题，为了能够使信号发射的足够远，我们采用了 12 V电源接入。在发射接收 探头的选择上经过比较我们选择了 T401 6 超声波换能器。前置放大电路选用AD公司的专用高精度仪器三运放AD620AD620是由3个精密 运放集成的差分专用仪器运放，它具有低偏移、高增益
6、(信号可直接放大到 100 倍)、高共模拟制比的特点，特别适用于放大传感器信号 由于传感器接收到的大 量的低频噪声(如 50 Hz 的工频噪声)强度远大于它所接收到的超声信号，所以 在传感器与AD620之间必须接一个无源高通滤波器。这样虽然增加了传感器的功 耗，但是在后面可以通过增大放大倍数来弥补。第 2 级是一个有源带通滤波电 路。在这一级可以滤掉前面滤波器没有滤掉的大部分背景噪声和由器件或电路产 生的噪声。这里选择的通带为38 kHz42 kHz。第2级和第3级运放都采用AD 公司的0P777，它是一个超精密的低噪声运放，具有极低的电压和电流偏移以及 很高的增益稳定性。第 3级是一个一般的
7、同相放大电路。经过第 3级放大以后 ， 信号范围为一 3. 3+3. 3 V,再经过如图2所示的2个20 KQ 的电阻，并接上+3. 3 V的偏置电压，就可以使输入到AT MEL8单片机的AD 采样信号变为 03. 3 V。-VA3,3 V图2 超声波接收电路整形(3) 激光发射模块 激光发射部分采用氦氖二级管激光发射器，接收器采用通用光敏晶体管。此部分 用于超声波发射的定位，当激光发射器发出的光信号被光敏元件检测到时，表示 超声波的发射路径与被检测物体表面恰好垂直 。(4) 人机交互模块 人机交互模块主要用键盘阵列实现，其用于控制检测的过程，如开始，数据保存， 换算，检测切换等。(5) 温度
8、、湿度传感模块温度传感器选用 DALLAS 公 司的 DS18B20 芯片，用于检测当前空气的温度， 数据的读取只需要一根数据线就可完成，测温范围为-55C-I-125C，分辨率 为0. 5C高分辨率模式下可达0. 1C,测量速度为1次/s。湿度传感器采用Honeywell公司生产单片集成型ICHIH3610，其测试精度为 3%，激光修正至5 %。采用5 VDC输入，0. 83. 9 VDC输出。低功耗设计: 200 uA驱动电流，适合电流供电的低功耗系统。其湿度检测电路如图3所示。2 温度 、湿度双补偿方法正常情况下，干燥空气的平均摩尔质量为28. 964X10 -3 kg/mo 1,标准状
9、况下干燥空气中的声速为Co=331. 45 m/s，而在室温tC时，干燥空气的声速为：C=C。卫+1/TO式中： T =273. 15 K。O实际空气并不完全是干燥 的，总含有一些水蒸气。经过对空气平均摩尔质 量 和比热 比此 ）， 的修正。校正后的声速公式为 ：c=331.45v；(1+1 / T )*(1+ 0.3192P / P)W式中：P为水蒸气的分压强；P为大气压强，取P=1.013 25X10 Pa； To为273. 15 K； T为测量的空气温度，c为经补偿后的声速。通过此方法可 以获得小于 5的声速误差 。通过温度和湿度的共同补偿值，可以设计一个简 单查表程序，快速求得精确声速
10、，再由此计算出精度较高的测试距离。另外在设计中加入了简单数据处理功能，如面积计算，数据永久保存等，方便 使用者在特殊情况下的要求。并使测试仪集成如下功能，数据可保存，可报警， 可激光定向，以及精确测量温度和湿度。并 可用于特殊环境下 ，如低温和高温 环境。为了达到便于携带的目的，整个设计体积非常小巧，考虑到供电电源 的 体积大小，大小也仅如一个普通数字万用表。3 系统测试实验结果及结束语系统测试实验结果表明温度及湿度对声速的补偿后测量精度得到了一定程度的 提高，在5m的测距范围内测量精度接近1 %。由于此设计由各个单元模块化 组合所以适合移植或构建到其它系统中，如倒车雷达，移动物体检测，障碍物识 别和避让，智能机器人等。在距离测量时加入 了温度 、湿度测量模块 ，故还 可以用于对 于环境温度和湿度的精确测定 ，所以不失为一种多用途多功能的测 量工具。
