任务5.9 超声波测距.docVIP

任务5.9 超声波测距 5.9.1 任务介绍 超声波测距是一种非接触式测距方式，在使用时不受光照、电磁场、被测物色彩等因素影响，加之信息处理简单、速度快、成本低等特点，在机器人避障和定位，液位测量等方面有着广泛的应用。 本节的任务是： 利用51单片机控制超声波测距成品模块（型号HC-SR04）完成测距，测量距离显示在数码管上，要求测距程序不过多占用CPU，可移植性好。 5.9.2 知识准备 1、压电式超声波发生器原理出发射点距障碍物反射中心点的距离(d)，即：d=334*t/2 ，这就是所谓的时间差测距法，其示意图如图5.9.2所示。超声波发射探头和接收探头之间的举例为h，则发射点距离障碍物的垂直举例为s= ,由于公式中d远大于h,所以s=d。 图5.9.2 超声波测距示意图 图5.9.2 时间差测距法示意图 超声波在空气中传播时，常温下传播速度是334m/s，但其传播速度易受温度的影响，声速与温度的关系，如表5.9.1所示。 表5.9.1 声速与温度的关系 温度(℃) -30 -20 -10 0 10 20 30 40 声速（m/s） 313 319 325 332 338 344 350 356 根据声速与温度的对应关系，得到公式C=331.5+0.607T,其中T是温度，C是对应的声速。在测距较为严格的场合，还需要测量环境温度，通过公式换算出当前温度下超声波对应的声速。 3、超声波发射电路简介 超声波发射电路包括两部分：40Kz脉冲信号产生和脉冲信号功率放大电路。 （1）40KHz脉冲信号 40KHz脉冲信号的产生可以通过单片机产生，也可以通过555等振荡电路产生。需要注意的是，在超声波测距中，40KHz的脉冲信号不需要一直发送，发送4-10个脉冲即可。 （2）脉冲信号功率放大电路 超声波测距的大小根发射功率的大小有直接的关系。常用的功率放大电路有三种；非门驱动（74HC04或CD4069），电荷泵芯片（MAX232）驱动，中周变压器驱动。这三种方式本质是一致的，都是提高脉冲信号的电压来增大发射的功率。 ① 非门驱动 5.9.3 由非门74LS04构成的驱动电路 在图5.9.3中，U1C和U1D并联输出信号加载到超声波的一个引脚，其输出电平和输入电平反相，U1E和U1F的输出信号并联后加载到超声波的另一个引脚，其输出电平和输入电平同相，超声波探头得到了2倍的VCC，从而提高了发射功率，测量的距离变远。 ② 电荷泵芯片（max232）驱动 MAX232芯片是为串口通信设计的芯片，它的内部有电荷泵，能实现TTL电平和RS232电平的互相转换（TTL电平：5V逻辑正，0V逻辑负；RS232电平：+12V为逻辑正，-12V为逻辑负）。图5.9.4是MAX232驱动超声波的电路图，T1IN和T2IN接收单片机输出的TTL电平，经过MAX232升压后，转化成RS232电平，然后驱动超声波发射探头。 图5.9.4 MAX232驱动电路 ③ 中周变压器驱动 将40KHz脉冲信号通过中周变压器升压，也可以提高超声波的发射功率。40KHz脉冲接变压器的低压端，超声波探头接高压端，变压器要选用中频变压器。 4、超声波接收电路简介 超声波接收探头接收到40KHz的超声波后，将机械能转换为电信号，在接收端会感应出40KHz的电压波形。由于信号微弱，且易受其他信号的干扰，所以接收端的电路包括信号的放大、滤波和整形。常见的接收电路专用接收芯片和分立元件搭建的接收电路 ① 专用接收芯片（CX21016） CX20106是SONY公司生产的红外接收专用芯片，由于红外载波频率和超声波40KHz频率非常接近，所以可以用它做作为超声波接收电路。当超声波接收头受到发射信号时，通过CX20106进行前置放大、限幅放大、带通滤波、峰值检波和比较、施密特触发，便可得到处理后的信号。7脚为信号输出口，没有信号时为高电平，收到后变为低电平，之后又恢复高电平。 ② 分立原件构建的接收电路 利用集成运放，将超声波放大，并设计40KHz的带通滤波器，然后再经过整形电路就可以得到TTL电平的输出信号。 5、HC-SR04超声波测距模块的特点 HC-SR04超声波测距模块是淘宝上热卖的一个超声波测距成品模块，测距的范围为2cm-4m，测量精度为3mm，体积小、价格便宜，省去了硬件制作的麻烦，特别适合初学者使用。图5.9.5是HC-SR04模块的外观和接口。 图5.9.5 HC-SR04