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新型高精度一体反射型超声波传感器测距系统研制 以单片机 、红外遥控接收器 、模拟电子开关为核心 ,设计了一体反射型超声波传感器测距电路 ,完成了感测系统软硬件设计 ,并进行了详细的理论和实验研究。 实验结果表明:提出的设计方法结构简单 、精度高、重复性好 、可靠性高 、成本低 ,具有普遍的应用意义和广泛的应用价值。 该方法在移动机器人避障中得到了良好的应用。 0 引言 超声波传感器是测距常用传感器之一 ,有以下优点 : (1)超声波的传播速度仅为光波的百万分之一,因此可以直接测量较近的距离 ,纵向分辨率较高; (2)超声波对色彩、光照度不敏感 ,适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体 (如玻璃 、抛光体等 ) ; 一体反射式超声波传感器采用 单个超声波 探头 ,采用脉 冲驱动换能器发射超 声波 ,当 发射停 止时换 能器 转为 接收 器 ,接收反射回来的音波 。 由于采用单探 头工作 ,更易于实 现测控 系统的小型化和集成化 。 且一体反射 型超声波传 感器收 发同体 ,因此不存在双探头间距带来 的测量误 差 。 在现 有文献 中 [1 - 4 ] ,一体式超声波传感驱动都采用脉 冲变压器 ,不但起 到升压 作用 ,同时起到传感器输 入和 输出间的隔 离作用 。 文中 设计了 基于单片机 +红外遥控接 收器 CX20106 +模拟 电子开关 CD4066的新颖的一体式超 声波 传感器 测距 电路 ,该电 路结 构简 单 、稳定可靠 、测量精度高 ,在移动机器人避障中得到了良好的应用 。 超声波传感器最常用的测距方法是回波探测法。基本原理是利用控制器通过发射探头发出一定频率的超声波，接收探头等待经障碍物反射回来的超声波，只需计算发射信号到接收信号的时间，就可以计算出障碍物的距离L。
式中 : c为声速; t为发射到接收的时间间隔。 2 一体反射式超声波传感器测控系统设计 由于压电材料易碎，并因绝 缘 、密封 、阻抗匹配等要求，超声换能器往往封装在探头外壳内，使压电材料与探头表面有一定距离，这样在测量过程中会带来测量误差。超声波探 头表面有层防护网，因此无法直接对此距离进行测量。
由此可得 :
经过多次测量 ,得到传感器 L0 的平均值为 7 mm. 2. 2 超声波传感器感测电路总体设计 一体反射式超声波传感器感测电路如图1所示。 单片机通过74HC04控制超声波传感器发射 , CX20106 和外围器件组成回波检测处理电路。 由于一体反射式超声波传感器发射电路与接收电路都用相同的传感器引脚输入输出 ,如不将 输入输出隔离开 ,发射时接收电路就产生动作 ,而接收时接收电路又会受到发射电路的影响因此必须使发射 电路与接收电路隔离开,引脚在输出和输入时分时复用。采用因此必须使发射电路与接收电路隔离开 ,引脚在输出和输入时分时复用。 采用CMOS双 向模 拟开关 CD4066BE实现发射与接收的隔离 。
图 1 一体反射式超声波传感器感测电路原理图 2. 3 发射接收隔离电路设计 CD4066[5 ]内部结构图如图2所示 ,每片封装有4个独立的模拟开关 ,每个开关有输入、输出、控制三端。 当控制端加高电平时 ,开关导通 ;当控制端 加低电平时开关截止。 模拟开关导通时，当电源电压为5V时，导通电阻小于80Ω ;模拟开关截止时，呈现很高的阻抗。 模拟开关可传输的模拟信号的上限频率为40MHz. 4个开关控制CONA、 CONB、 CONC、 COND分别 为开关 SWA、 SWD、 SWB、 SWC 的控制端 (如图 1所示 ) ,由单片 机P1. 2 - P1. 5 脚控制。 开关SWA、 SWB控制超声波发射,74HC04的输出接到CD4066 的 1、 4端 , CD4066的2、 3 端接超声波传感器 ,由单片机P1. 2、 P1. 4控制开关导通和截止。 开关SWC、SWD控制超声波接收，超声波传感器 两引脚通过开关分别和CX20106的1脚、 地相连,单片机的P1. 3、 P1. 5 脚控制SWC和SWD的开合。
图 D 66内部结构 2. 4 发射电路设计 当外加信号频率等于两压电晶片的 固有振动 频率时 ,将会发生共振 [6 ] 。 采 用的 超声波 传感器 中心 频率为 40 kHz,因此 ,在发射电路中 ,通过软件编程方 式 ,对 单片机 I/O口 P1. 1置高和置 低 , 产 生 40 kHz 脉 冲 信 号 ,输 出 到 发 射 电 路 中 。 由 于AT89S51单片机 P1口作为 I /O口使用时能提 供 20 mA灌电流能力 ,而吸电流能力较小 ,所以用 74HC04来提高其输出电流的能力 ,保证 40 kHz的脉冲信号有一定的功率 。 超声波发射模块原理图见图 1。 P1. 1口产生周期为25μs的调制脉冲 波 ,经过74HC04后在超声波传感器发射探头两端输入 反向同频脉冲 ,可以增大超声波传感器的发射功率 。 采用探头发射若干个脉冲波 ,然后停止发射 ,接收探头等待反射信号 的方式 。 采用软件延时方式每隔一段时间发射1次 ,定时器 T1既 控制发射间 隔时间 ,又通过T1计算发射到接 收信 号所 用的时间 ,从而计算障碍物距离 。 由于采用 12 MHz晶振时 , 16位定时器最长可定 时 65 536μ s,可使用软件控制T1计数次数来增大发射间隔时间 。 发射间隔时间必须大于发射到接收回波的时间 。 发射间隔时间越长 ,检测越可靠 (时间越长声波衰减越多 ,多次反射信号越少 ) ,但如用于机器人避障 ,则机器人对障碍物反应越慢、实时性越差。 示波器采集的发射波形如图3所示 ,每次发射 4个脉冲 。 实验表明 ,每次只要发射2个脉冲 ,就可以使传感器工作。 如发射脉冲波数太大 ,则发射能量增大 ,超声波衰减速度变慢 ,多次折射返回信号可能会使接收探头误触发 。 而且发射脉冲数越多,测量盲区也越大。 因此 ,在实验中选择采用个发射脉冲 。
图 3 超声波传感器发射脉冲及余振信号 采用单片机定时器作为距离测量计数器 ,设超声波波速为34m / s,由式 (1)可得 :如果定时时间为65536 μ s则可测距离为L = 344 ×( 01065536/2) = 111272192 m. 当然 ,经实验表明所用的测量电路 ,由于发射功率较弱 ,最远可测距离在5m 左右 ,如需测量更远距离 ,可将单片机输出的调制波通过脉冲变压器升压后驱动超声波探头。 由于研 制的移动机器人主要用于室内,速度较慢 ,对障碍物的检测在 5 m左右已足足有余 ,因此将单片机口的调制波直接加到超声波传感器 。 2. 5 超声波接收电路设计 超声波接收处理电路采用集成 电路 CX20106。 CX20106[7 ]为红外接收专用集成电路 ,在此利用 CX20106作为 超声波传感器接收信号的放大检波装 置 ,亦取得良好的效果 。 CX20106 采用8脚单列直插式塑料封装，内含前置放大、限幅放大、自动偏置、通带滤波 、峰值检波 、积分比较及施密特整形输出等电路。CX20106的总放大增 益约为80dB，以确保其7脚输出的控制脉冲序列信号幅值在315～5V范围内。 3 一体反射式超声波传感器盲区的确定 一体反射式超声波传感器存在盲区 ,主要由2个因素造成: (1)一体式超声波传感器检测需要控制器通过切换电路控制发射与接收，所以切换时间间隔 (CD4066关断发射、打开接收所用时间 )会形成盲区。 (2)实验发现 ,发射信号过后传感器的压电陶瓷存在余振(如图3所示) ,如果立刻打开接收电路 ,余振信号会引起误判断 ,如图4所示 ,如在发射脉冲刚结束时 就打开单片机中断 ,则会接收到误触发信号。 因此也存在盲区问题，这是引起盲区的主要因素。 余振的强弱与传感器、发射信号强弱都有关,从示波器上看出选用的传感器余振约在700μ s后消失,因此盲区距离最小为L = 344 ×( 01000 7 /2) = 0112 m. 实际使用时应将盲区设置大些以提高测量可靠性 。
图5 多种反射信号 采用CD4066作为输出于输入的隔离装置 ,避免了使用脉冲变压器的麻烦 ,但实验发现, CD4066中模拟开关动作会造成接收电路的误触发。 如图6所示 ,当接收用开关SWC、SWD闭合后,会在短暂时间内引起信号线上产生电压，从而引起CX20106误触发。 因此如果在发射时打开SWC、SWD，在接收时关闭SWC、 SWD ,则会产生误触发信号。 可以采用增加盲区宽度的方法来避免CD4066模拟电子开关闭合引起的误触发，但盲区距离过大，影响了超声波传感器近距离检测。
图 7 显示电路原理图 6 系统软件设计 数码管显示电路如图7所示。T1用于一体反射式超声波传感器发射时间间隔控制及距离的计数。 程序中可使用软件标志位控制T1计数次数来增大发射间隔时间。 程序定义数码管段码查询单元及全局变量如下 : 7 探测范围和精度测量 由于CD4066存在导通电阻 ,相当于降低了传感器发射功率，因此检测距离会略受影响。 在空旷地带将一块3cm×3cm的方形塑料板在超声波可达范围内移动，超声波传感器可以稳定检测到障碍物最远距离为5m ,测量范围左右边线的夹角为60°左右 ,则超声波传感器扩散角约为 60°,在空间形 60°的类圆锥体状声波场。 显著提高了供电效率。 如果利用钳形表互感器, 则可以在带电情况下接入，适用于各种电力系统的临时能力查定。 最大限度地减少了不必要的停电。为电力管理工作提供可靠 的科学手段。因此该技术很有发展前景。 参考文献 : 班宁产品汇总 |
