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新型高精度一體反射型超聲波傳感器測距系統研制 以單片機 、紅外遙控接收器 、模擬電子開關為核心 ,設計了一體反射型超聲波傳感器測距電路 ,完成了感測系統軟硬件設計 ,并進行了詳細的理論和實驗研究。 實驗結果表明:提出的設計方法結構簡單 、精度高、重復性好 、可靠性高 、成本低 ,具有普遍的應用意義和廣泛的應用價值。 該方法在移動機器人避障中得到了良好的應用。 0 引言 超聲波傳感器是測距常用傳感器之一 ,有以下優點 : (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 沖驅動換能器發射超 聲波 ,當 發射停 止時換 能器 轉為 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 現測控 系統的小型化和集成化 。 且一體反射 型超聲波傳 感器收 發同體 ,因此不存在雙探頭間距帶來 的測量誤 差 。 在現 有文獻 中 [1 - 4 ] ,一體式超聲波傳感驅動都采用脈 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 設計了 基于單片機 +紅外遙控接 收器 CX20106 +模擬 電子開關 CD4066的新穎的一體式超 聲波 傳感器 測距 電路 ,該電 路結 構簡 單 、穩定可靠 、測量精度高 ,在移動機器人避障中得到了良好的應用 。 超聲波傳感器最常用的測距方法是回波探測法。基本原理是利用控制器通過發射探頭發出一定頻率的超聲波，接收探頭等待經障礙物反射回來的超聲波，只需計算發射信號到接收信號的時間，就可以計算出障礙物的距離L。
式中 : c為聲速; t為發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設計 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，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 頭表面有層防護網，因此無法直接對此距離進行測量。
由此可得 :
經過多次測量 ,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計 一體反射式超聲波傳感器感測電路如圖1所示。 單片機通過74HC04控制超聲波傳感器發射 , 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 ,發射時接收電路就產生動作 ,而接收時接收電路又會受到發射電路的影響因此必須使發射 電路與接收電路隔離開,引腳在輸出和輸入時分時復用。采用因此必須使發射電路與接收電路隔離開 ,引腳在輸出和輸入時分時復用。 采用CMOS雙 向模 擬開關 CD4066BE實現發射與接收的隔離 。
圖 1 一體反射式超聲波傳感器感測電路原理圖 2. 3 發射接收隔離電路設計 CD4066[5 ]內部結構圖如圖2所示 ,每片封裝有4個獨立的模擬開關 ,每個開關有輸入、輸出、控制三端。 當控制端加高電平時 ,開關導通 ;當控制端 加低電平時開關截止。 模擬開關導通時，當電源電壓為5V時，導通電阻小于80Ω ;模擬開關截止時，呈現很高的阻抗。 模擬開關可傳輸的模擬信號的上限頻率為40MHz. 4個開關控制CONA、 CONB、 CONC、 COND分別 為開關 SWA、 SWD、 SWB、 SWC 的控制端 (如圖 1所示 ) ,由單片 機P1. 2 - P1. 5 腳控制。 開關SWA、 SWB控制超聲波發射,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P1. 2、 P1. 4控制開關導通和截止。 開關SWC、SWD控制超聲波接收，超聲波傳感器 兩引腳通過開關分別和CX20106的1腳、 地相連,單片機的P1. 3、 P1. 5 腳控制SWC和SWD的開合。
圖 D 66內部結構 2. 4 發射電路設計 當外加信號頻率等于兩壓電晶片的 固有振動 頻率時 ,將會發生共振 [6 ] 。 采 用的 超聲波 傳感器 中心 頻率為 40 kHz,因此 ,在發射電路中 ,通過軟件編程方 式 ,對 單片機 I/O口 P1. 1置高和置 低 , 產 生 40 kHz 脈 沖 信 號 ,輸 出 到 發 射 電 路 中 。 由 于AT89S51單片機 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 。 超聲波發射模塊原理圖見圖 1。 P1. 1口產生周期為25μs的調制脈沖 波 ,經過74HC04后在超聲波傳感器發射探頭兩端輸入 反向同頻脈沖 ,可以增大超聲波傳感器的發射功率 。 采用探頭發射若干個脈沖波 ,然后停止發射 ,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射1次 ,定時器 T1既 控制發射間 隔時間 ,又通過T1計算發射到接 收信 號所 用的時間 ,從而計算障礙物距離 。 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計數次數來增大發射間隔時間 。 發射間隔時間必須大于發射到接收回波的時間 。 發射間隔時間越長 ,檢測越可靠 (時間越長聲波衰減越多 ,多次反射信號越少 ) ,但如用于機器人避障 ,則機器人對障礙物反應越慢、實時性越差。 示波器采集的發射波形如圖3所示 ,每次發射 4個脈沖 。 實驗表明 ,每次只要發射2個脈沖 ,就可以使傳感器工作。 如發射脈沖波數太大 ,則發射能量增大 ,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 。 而且發射脈沖數越多,測量盲區也越大。 因此 ,在實驗中選擇采用個發射脈沖 。
圖 3 超聲波傳感器發射脈沖及余振信號 采用單片機定時器作為距離測量計數器 ,設超聲波波速為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. 當然 ,經實驗表明所用的測量電路 ,由于發射功率較弱 ,最遠可測距離在5m 左右 ,如需測量更遠距離 ,可將單片機輸出的調制波通過脈沖變壓器升壓后驅動超聲波探頭。 由于研 制的移動機器人主要用于室內,速度較慢 ,對障礙物的檢測在 5 m左右已足足有余 ,因此將單片機口的調制波直接加到超聲波傳感器 。 2. 5 超聲波接收電路設計 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。 3 一體反射式超聲波傳感器盲區的確定 一體反射式超聲波傳感器存在盲區 ,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射與接收，所以切換時間間隔 (CD4066關斷發射、打開接收所用時間 )會形成盲區。 (2)實驗發現 ,發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 ,如在發射脈沖剛結束時 就打開單片機中斷 ,則會接收到誤觸發信號。 因此也存在盲區問題，這是引起盲區的主要因素。 余振的強弱與傳感器、發射信號強弱都有關,從示波器上看出選用的傳感器余振約在700μ s后消失,因此盲區距離最小為L = 344 ×( 01000 7 /2) = 0112 m. 實際使用時應將盲區設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 ,但實驗發現, CD4066中模擬開關動作會造成接收電路的誤觸發。 如圖6所示 ,當接收用開關SWC、SWD閉合后,會在短暫時間內引起信號線上產生電壓，從而引起CX20106誤觸發。 因此如果在發射時打開SWC、SWD，在接收時關閉SWC、 SWD ,則會產生誤觸發信號。 可以采用增加盲區寬度的方法來避免CD4066模擬電子開關閉合引起的誤觸發，但盲區距離過大，影響了超聲波傳感器近距離檢測。
圖 7 顯示電路原理圖 6 系統軟件設計 數碼管顯示電路如圖7所示。T1用于一體反射式超聲波傳感器發射時間間隔控制及距離的計數。 程序中可使用軟件標志位控制T1計數次數來增大發射間隔時間。 程序定義數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存在導通電阻 ,相當于降低了傳感器發射功率，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范圍內移動，超聲波傳感器可以穩定檢測到障礙物最遠距離為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 的科學手段。因此該技術很有發展前景。 參考文獻 : 班寧產品匯總 |
