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超声波测距报警系统的设计

发布时间:2020-07-21 17:45:08 阅读: 来源:万用表厂家

引言

本文引用地址:科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率,它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20~20000Hz。当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时,我们便听不见了。因此,我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。

1.超声波测距原理

超声波是指频率高于20KHz 的机械波。为了以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波,完成这种功能的装置称为超声波传感器。超声波传感器有发送器和接收器,有的也可具有发送和接收声波的双重作用。根据超声波的产生方式,超声波传感器可分为两大类:一类是电气式,如压电式、磁致伸缩式和电动式等;一类是机械式,如加尔统笛、液哨等。目前常用的是压电式超声波传感器。它利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即发射超声波时,将电能转换为超声波发射出去;在收到回波时,将超声振动转换成电信号。

超声波测距的原理一般采用时间差法,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:

式中,D—传感器与障碍物之间的距离;c—声波在介质中的传输速度。

由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测物体不需直接接触,故超声波传感器广泛地应用于液体高度测量、汽车倒车等方面。为了提高测量精度,减小误差,根据公式(1)可知,测距误差由传播速度误差和传播时间误差引起。

当传播速度准确时,传播时间差值精度只要达到微秒级,就可保证测距误差小于1mm。设计中,可采用12MHz 晶体作时钟的基准,单片机定时器的计数精度可达1us,从而保证测量精度。

传播速度受空气密度的影响,空气密度越高,传播速度越快,而空气密度与温度有密切关系。在理想气体中声波的传播速度c 为:

式中,γ—气体定压比热容与定容比热容之比;R—气体常数;M—气体分子量;T—绝对温度。

若温度变化不大,则可认为声速基本不变,其值为340m/s。若测距精度要求较高,为减小温度变化对声速产生的影响,在设计中,应增加温度传感器来监测环境温度,进行实时温度补偿,近似公式为:

式中,c0—零度时的声波速度332m/s; T—实际温度(℃)。

2.测距报警系统设计

2.1 硬件设计

电路原理图如图1 所示。采用PIC16F73 单片机作为主控制器,实现对CX20106 红外接收芯片(红外常用的载波频率38KHz 与测距超声波频率40KHz 较为接近) 和TCT40 系列超声波转换模块的控制。单片机通过端口RB1 控制超声波的发送,然后单片机不停地检测中断端口RB0/INT,当端口RB0/INT 的电平由高电平变为低电平时,系统认为超声波已返回。计数器所计数据即为超声波所经历的时间,通过换算可得到传感器与障碍物之间的距离。超声信号的驱动由单片机定时器完成,LED 数字显示采用动静态驱动相结合的方法实现,报警模块采用简单的声光报警电路。

图1 测距报警系统电路原理图

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