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用超声波传感器提高比较距离大小精度的设计

0 引言

超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,分为发送器和接收器,频率为40kHz左右。在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到波的时候,则将超声振动转换成电信号。一般用超声波传感器来测距 。

1 比较距离方法的提出

要比较AC和BC的大小,见图1。如果采用超声波测距方法,测距的原理一 般为时间差法,即测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的总时间,再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离,即:

L=vt/2 (1)

其中:L一 传感器与障碍物之间的距离; V一 声波在介质中的传输速度.

用以上方法测出,AC和BC长度,然后得出结果。根据公式 (1)可知,测距误差主要由传播速度和传播时间t的误差所引起的,如果测量精度要求稍高,就要对最后的结果作修正,例如为了减少温度对声速的影响,就要做温度补偿,电路比较复杂,误差一般是厘米级别的….

本文提出一 种新颖的设计,可以利用非常简单的电路完全避免由于传播速度和传播时间所产生的误差而高精度地比较距离的大小。首先本设计的目的不在于长度本身,而关键在于长度的比较。我们在c处装一超声波发射器,在A、B 处分别安装与之匹配的超声波接受器 。问题就可以归纳为是:从同一个超声波发射源c发射信号,两个 超声波接收源A和曰接受信号的先后次序,如果日先接受到信号,则就是表示BC<AC,所以设计电路的关键是检测两个接受器接收信号的先后顺序。

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图1 长度比较

本文提出一种新颖的设计,可以利用非常简单的电路完全避免由于传播速度和传播时间所产生的误差而高精度地比较距离的大小。首先本设计的目的不在于长度本身,而关键在于长度的比较。我们在c处装一超声波发射器,在A、B处分别安装与之匹配的超声波接受器。问题就可以归纳为是:从同一个超声波发射源c发射信号,两个超声波接收源A和日接受信号的先后次序,如果日先接受到信号,则就是表示BC<AC,所以设计电路的关键是检测两个接受器接收信号的先后顺序。

2 电路设计

超声波发射电路有软件和硬件两种方法,本设计用的是软件方法,电路可以参考文献。在超声波接收电路的考虑时,先考虑了比较通用且方便的红外遥控接收芯片CX20106这一方案。CX20106接受与其中心频率相符的信号时,7脚就输出低电平,考虑通过两个接收芯片接收低电平的不同来判断 ,但是困难是 :
一、不能判别出接收到第一个波形和第二个相同相位波形的差别 ;
二 、经过实际试验,当BC和AC相差10mm时,示波器上观察不出两个输出低电平的差异。故终止次方案 .

经过下面简单分析 :

超声波传感器发射波40kHz。即周期:

T =25 ×10-6 S.

以声速为340m/s计,一个40kHz的超声波经过的距离为 :

L :340 ×25 ×10-6 =8.5 mm =8.5 ×10-3m

如果要高精度地比较AC和 BC的距离,就需要能精确地判断A、B到达的顺序,这里有两个需要考虑的问题 :

(1)电路能判断两个接收器接收的是发射器发射的第几个周期的信号,例如,A接收了3个周期的信号,B接收了2个周期的信号,A离发射器距离自然近了:

(2)A、B接收器接收的波形相差是一个周期之内的,也要能判断谁先谁后。

以下设计的电路能达到上面这两个要求,并且精度更高,见图2.

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图 2 信号处理图

由单片机发射8个周期以上40kHz的超声波, 超声波在空气中传播的衰减程度随传播距离的增加而增大,所以被接收头收到的信号比较微弱,不能直接送 入后级处理,超声波接收器A、B接收信号后用相互对称的电路对信号作放大处理,并且把放大出来的正弦信号转变为脉冲信号A、B,各自作为计数器A、B计数器计数冲,计数器 A、B 计算着由超声波接收器接收来的信号周期的个数,当某个计数器先记到1000时 (即接受器收到8个超声波时 ),或门输出由0变为1,此时计数器的数据就由D触发器输出,单片机通过D触发器传来数据的大小来判断距离的大小。

3 结果分析

根据以上电路图,对A、B两路信号进行分析,见图3.

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图3 相差一个周期以上波形分析

上图分析中,连续发射9个周期的超声波,接受器A接收到8个周期的波形时,即计数器B的第8个上升沿到来时,计数器曰第7个上升沿还没到,所以此时或门由0变为1,上升沿到D触发器,此时单片机的得到的数据是:A路是8, B路是6;可以判断:发射器到A接受器近而到B接受器远,AC < BC,这是两者距离超过一个周期以上距 离的情况。 当两者的距离不到一个周期时,见图4.

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3 结语

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参考文献 :

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