1 压电式超声波传感器测距原理
当电压作用于压电陶瓷时,就会随电压和频率的变化产生机械变形;另一方面,当振动作用于压电陶瓷时,则会产生电荷。利用这一原理,由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成振动器,称为双压电晶片元件,当向双压电晶片元件施加一个电信号时,就会因弯曲振动发射出超声波。相反,当向双压电晶片元件施加超声振动时,就会产生电信号。基于以上作用,便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。压电式超声波发生器是利用压电晶体的谐振来工作的,它由两个压电晶片和一个共振板组成。
当两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。
利用常规双压电晶片元件振动器的弯曲振动,在频率高于70kHz的情况下,是不可能达到此目的的。所以,在高频率探测中,必须使用垂直厚度振动模式的压电陶瓷。在这种情况下,压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就变得十分重要。压电陶瓷的声阻抗为2.6×107kg/m2s,而空气的声阻抗为4.3×102kg/m2s。5个幂的差异会导致在压电陶瓷振动辐射表面上的大量损失。一种特殊材料粘附在压电陶瓷上,作为声匹配层,可实现与空气的声阻抗相匹配。这种结构可以使超声波传感器在高达数百kHz频率的情况下,仍然能够正常工作。超声波发射接收头(UCM-40KT、UCM-40KR)。UCM-40K型压电陶瓷超声波换能器体积小,灵敏度高、性能可靠、价格低廉,是遥控、遥测、报警等电子装置最理想的电子器件。
发射距离: 8~10m;发射角度: 30~60;灵敏度:≥-70dB/V/ubar;谐振频率: 40kHz±1kHz(UCM -T40K1发射用); 40kHz±1kHz(UCM -R40K1接收用);频带宽: 2kHz±0.5kHz;外形尺寸:Φ16mm×22.5mm;使用环境温度: -20℃~+60℃;相对湿度:20±5℃时达98%;使用注意事项:两接线脚焊接时间不宜过长,以免器件内部焊点溶化脱焊或造成底座与接线脚之间松动,且不宜与腐蚀性物质接触。超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离,即:D=340t/2。
2 超声波测距仪硬件电路设计
超声波测距仪硬件设计以AT89S52单片机和UCM-40K系列超声波传感器为核心元件,外加驱动74LS04、红外检波接收芯片CX20106A以及显示电路和相关外围器件组成。整体硬件系统电路原理框图如图1所示。
2.1 超声波发射模块
超声波的发射电路主要由驱动74LS04及超声波发生器组成,如图2所示。超声波的发射传感器采用压电陶瓷传感器UCM40,由于频率为40kHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳,因此通过执行程序由单片机P1.0产生40kHz的振荡信号,经74LS04放大(74LS04在电路中不但有驱动作用同时增加了超声波传感器的阻尼效果缩短了其自由振荡时间以便其迅速起振),驱动超声波发生传感器UCM40T发出40kHz的超声波脉冲。
2.2 超声波接收模块
超声波的接收传感器采用与发射传感器配对的UCM40R,将由发射传感器发出的经反射后的超声波脉冲转变为微弱的交流信号,送红外检波接收集成模块CX20106A的1脚。CX20106A是日本索尼公司产品,单列直插封装、内置放大限幅、带通滤波、检波、积分、整形模块,具有选频功能, CX20106A内部设计载波频率f=38kHz,当其输入信号大于25mV时,输出端7脚由高电平跳变为低电平,将其作为单片机的扫描接收信号,送至单片机P1.3口,以启动距离计算子程序。如图3所示。
3 超声波测距仪软件设计
超声波测距仪的软件设计采用了51汇编语言编写主程序,采用循环方式。在设计时主要有①上电键控系统启停;②40kHz频率产生;③回波处理信号接收;④时差采集与处理;⑤距离显示;⑥延时程序设计;⑦超范围报警。主程序流程图如图4所示。
程序在单片机上电之后,为了使我们能够顺利的观测到测量数据,在系统初始化后加入了显示硬件的测试程序,从而保证了系统的可靠性。测试完后,开始由单片机程序执行发射出40kHz的超声波的谐振频率信号,送给超声波传感器,从而使超声波发射出去,为了更可靠的接收到回波发射(时间有所延长),这就出现了测距仪的最小测量范围,以上设计中40kHz超声波信号共发射了9次,为4cm,在发射前要开启定时器T0,并且开启T0中断,定时器0的作用在于采集超声波往返时间差,以便于进行后面的距离计算。
在发射出超声波后由于定时器容量有限,故会出现两种可能:①在65535μs内接收到超声波信号;②在65535μs内接收不到超声波信号。所以在发出超声波后就要对是否有回波进行检测。在此,有两种方案:①外部中断法;②扫描法。以上程序流程中采用的是扫描法。
不论是中断还是扫描,以上两种现象解决方案是在第一种情况下使程序转入数据计算程序,并进行显示。第二种情况就是进入定时中断服务程序,在中断服务中设置了超范围报警指示,闪烁亮灯报警,范围为1114cm。在程序设计中第二个问题是永远循环不能停止,所以在硬件设计时加入了一个扫描键,该键为停止按钮,同时运用扫描法实现。
4 电路调试说明
4.1 软件及硬件调试
软件调试采用单片机模拟软件Proteus。Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于W indows操作系统上,可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路,该软件实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合,具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能;有各种虚拟仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等;支持主流单片机系统的仿真;提供软件调试功能;在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能,可以观察各个变量、寄存器等的当前状态,同时支持第三方的软件编译和调试环境,如KeilC51 uVision2、MPLAB等软件。
硬件调试①超声波传感器测试;如图5所示。图中用555作为多谐振荡器产生40kHz的方波信号,发射频率为40kHz;占空比为2∶3。接收电路为CX20106A,中心频率38kHz。通常状况下发光二极管为灭,当555开始工作且超声波接收头也接受到,发光二极管亮。通过以上测试可以验证超声波传感器是否工作。②距离计算程序及显示模块测试。该程序段为数据处理部分的重点,重在进行双字节乘法和四字节除以两字节运算的正确性,也包括显示部分的测试。
4.2 系统误差分析与温度补偿原理
由于温度效应而引发的误差可以通过温度补偿进行消除。在空气中,常温下超声波的传播速度是334m/s,但其传播速度V易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大,如温度每升高1℃,声速增加约0.6m/s。因此在测距精度要求很高的情况下,应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。只要测得超声波发射和接收回波的时间差Δt以及现场环境温度T,就可以精确计算出发射点到障碍物之间的距离。
5 结论
该超声波测距仪在室温为10℃~20℃条件下能够测试0.03~10.00m的距离。在5m内测量精度较高,可作为测量距离的仪器。
参考文献:
[1]黄智伟.全国大学生电子设计竟赛系统设计[M].北京航空航天大学出版社, 2006.
[2]张永瑞.电子测量技术基础[M].西安电子科技大学出版社, 1994.
[3]汪德彪.MCS-51单片机原理及接口技术[M].电子工业出版社, 2007.
作者简介:张同怀(1962—),男,副教授,主要从事传感器和单片机的教学与研究工作。
(收稿日期:2008-01)
