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基于超声波传感器的无接触式空气测距方法

2014/5/6 21:28:52  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

  摘要:为了克服一些传统距离测量方式在某些特殊场合无法测量的缺陷,设计以P89LPC932为核心,利用超声波传感器实现了无接触式空气测距的方法,充分考虑声速与温度的密切关系,进行温度补偿,进一步获得测距最远700 cm左右,精度最优达到1%。该设计具有较强的抗干扰能力,安装简单,体积小,功耗低,便于嵌入其他系统的特点。

  关键词:P89LPC932;超声波;测距仪;无接触式空气测距

  引言

  一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷。例如,液面测量就是一种距离测量,传统的电极法是采用差位分布电极,通过给电或脉冲来检测液面,电极长时间浸泡于水中或其他液体中,极易被腐蚀、电解,失去灵敏性。利用超声波测量距离可以解决这些问题。

  本文设计的超声波测距仪用三种测距模式选择跳线J1(短距、中距、可调距)。其整体方案为当按下测量键,探头就发送超声波,当超声波遇到障碍物时将产生回波信号;系统将探头接收到的回波信号放大送入控制器;温度测量电路测出温度,通过计算得到所测距离,显示在数码显示器上,后4位显示距离,前2位显示温度。

  1 超声波测距仪基本原理

  利用超声波测量距离的原理如图1示所示,简单描述为:定期发送的超声波遭遇到障碍物时发生反射,反射波经由接收器接收并转化为电信号,这样只要测出发送和接收的时间差△t,然后按照式(1)即可求出距离:

  式中:C为超声波在空气中的传播速度,0℃时C为331 m/s,25℃时C为347 m/s,其与环境温度T(单位:℃)的关系如式(2):

  由此可见,声速与温度有密切关系。在应用中,如果温度变化不大,并且无特殊精度要求,可认为声速是基本不变的,否则,必须进行温度补偿。温度补偿方法为每次先按照式(2)计算当时声速C,然后再按照式(1)计算距离。

  另外,从图1还可以看出,由于超声波利用接收反射波来进行距离的计算,因而不可避免地存在发射与反射之间的夹角,其大小为2a。当a很小时,可直接按式(1)进行计算得到距离;当a较大时,则必须进行距离修正,修正公式如式(3):

  2 系统硬件

  超声波测距仪主要包括:温度检测电路,超声波发射及控制电路,超声波接收及信号处理电路,显示电路,微处理和其辅助电路以及RS 232通信接口电路,其结构框图如图2所示。

  2.1 超声波发射及控制电路

  超声波探头的型号选用CSB40T,利用软件产生40 kHz的超声波信号,通过输出引脚输入至驱动器,经驱动器驱动后推动探头产生超声波,如图3所示。从图中可看出,40 kHz超声波信号是利用555时基电路震荡产生的。震荡频率计算式如下:

  将R10设计为可调电阻的目的是为了调节信号频率,使之与换能器的40 kHz固有频率一致。为保证555时基具有足够的驱动能力,宜采用+12 V电源。CNT为超声波发射控制信号,由微处理器进行控制。

  2.2 超声波接收器的设计

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