测距设备（共7篇）
测距设备 篇1
脉冲式激光测距体制设备的工作原理是通过测量发射激光与返回激光之间的时间差,来探测脉冲式激光测距体制设备与被探测物之间的距离。星载激光测距体制设备要求高度的稳定性和灵敏度,因此,发射前需在地面上进行充分的性能检测与评估。
早期的星载激光测距体制设备在做地面检测时,实验场所往往选在空旷的广场,以真实、静止的地面物体作为测距目标[1]。但是,广场上的目标物只能满足短距离测试要求;而且对目标物距离信息的精确标定工作量大,环境对测试也有较大影响。随后,研究人员引进光纤作为长距离、高精度、受周围环境干扰少的目标物[2],但其缺点是模拟距离不能实时可调。为了解决以上技术问题,就需要构建一个在星载激光测距体制设备有效测程内,距离可调、高精度、受周围环境干扰少的模拟探测目标,由此,提出了动态距离模拟技术。
近年来,随着星载激光测距体制设备测距精度的提高,对动态距离模拟器的模拟距离精度提出了更高的要求。目前,美国近地小行星观测(NEAR)激光测距仪的系统性能测试[3]、国内星载激光测距体制设备地面检测中都有动态距离模拟器的重要应用。文中采用高精度延迟器对激光脉冲实现了精确延迟,延迟控制单元对模拟距离进行了校正,模拟器的精度得到了较大的提高。
1 系统实现
1.1 动态距离模拟器的基本原理
脉冲式激光测距体制设备探测距离为L的远方目标时,如图1所示,发射的激光主波经过2L的距离,回波信号被望远镜接收。发射激光主波与接收激光回波的时间差为
如图2所示,如果脉冲式激光测距体制设备发射的激光脉冲,被一个设备捕捉,经过电子学延迟t时间
1.2 动态距离模拟器的系统实现
以脉冲式激光测距体制设备为地面检测对象,动态距离模拟器的系统结构如图3所示。
动态距离模拟器可以同时模拟两个距离信息,分别将其定义为模拟距离X和模拟距离Y。激光接收单元、信号延迟单元输出通道A和激光器X共同模拟动态距离X;激光接收单元、信号延迟单元输出通道B和激光器Y共同模拟动态距离Y。
动态距离模拟器的工作过程为,延迟控制单元将待模拟的X、Y距离值转化为延迟时间tX、tY,并分别设置信号延迟单元输出通道A和输出通道B的延迟时间。激光接收单元响应经光纤输入的脉冲式激光测距体制设备的发射激光主波,经适当的衰减、光电转换,以TTL电平脉冲的形式触发信号延迟单元,使其开始延迟计时。信号延迟单元脉冲信号经tX、tY延迟后由输出通道A、输出通道B分别触发激光器X和激光器Y出光。激光器输出的激光作为回波信号被脉冲式激光测距体制设备的望远镜接收。脉冲式激光测距体制设备通过测量发射激光主波和接收激光回波间的时间差,得出X、Y两个探测距离。由于延迟控制单元的模拟距离X、Y实时可调,故可同时实现两个方向上的动态距离模拟。
1.3 动态距离模拟器的各单元组成
动态距离模拟器硬件组成包括激光接收、信号延迟、激光器等单元,软件部分为延迟控制单元。
1.3.1 激光接收单元
激光接收单元由光衰减、高速PIN管探测器,AD转换电路和比较电路组成。光衰减通过光纤透射激光光束方向与探测器稍微错开来实现。高速PIN管探测器探测到的入射激光信号,作为动态距离模拟器的延迟开始信号。最后比较电路输出一个信号延迟单元所需要的TTL电平。
1.3.2 信号延迟单元
动态距离模拟器的延迟时间主要由信号延迟单元设定的延时决定。为了提高延迟时间的精度、稳定性,采用美国Highland Technology的Model P400,其具体技术参数:1 ps的分辨率,25 ns的插入延迟,小于25 ps的抖动。
实验中使用了信号延迟单元的通道A、通道B。各通道的延迟时间由延迟控制单元通过RS232接口远程控制。最后信号延迟单元的通道A、通道B输出TTL电平分别触发激光器X、激光器Y。
1.3.3 激光器X和激光器Y
动态距离模拟器使用激光器向脉冲式激光测距体制设备的望远镜发射激光回波。为了尽可能符合脉冲式激光测距体制设备实际激光回波的特点,激光器X和激光器Y均采用深圳明鑫科技发展有限公司的1064光纤脉冲激光器,脉冲峰值功率为1 W,脉冲宽度5 ns。激光器发射出的激光回波信号,作为动态距离模拟器延迟结束信号。
1.3.4 延迟控制单元
延迟控制单元,即用labview程序编写的控制界面,主要实现对信号延迟单元延迟时间的设定、模拟距离的校正。延迟控制单元模拟距离的输入可由手动或主控机命令两种方式完成。
2 动态距离模拟器的关键技术参数分析
结合理论知识、系统设计和实验测量,对动态距离模拟器的关键技术参数进行如下分析计算。
2.1 最小模拟距离
星载激光测距体制设备的测量范围宽,较小动态距离的模拟,可满足星载激光测距体制设备测量较小距离的性能检测需要。
动态距离的模拟,通过设置脉冲式激光测距体制设备发射激光主波与接收激光回波间的时间间隔来实现,这段时间包括信号延迟单元设定的延迟时间和信号在系统中的固有延迟。当信号延迟单元延迟时间设定为0 s时,发射激光主波与接收激光回波间存在一个最短时间间隔,由这一最短时间间隔模拟出动态距离模拟器的最小模拟距离。
动态距离模拟器的最小模拟距离可以表示为:
式(1)中,
实验通过安捷伦DSO90404A高性能示波器多次等精度测量,得到:
2.2 准确度
延迟控制单元在将模拟距离值转化为延迟时间来设定信号延迟单元的延迟时,完成了对模拟距离的校正,保证了动态距离模拟器模拟距离的准确度。
实际工作中,信号延迟单元的延迟时间若仅根据公式t=2L/c设定,那么系统的固有延迟
式(2)中,r为修正值,最初始时
2.3 精度
模拟距离精度是动态距离模拟器最为关键的技术参数。在模拟距离校正时,系统的固有延迟带来的误差已经消除,因此,输出脉冲抖动引起的随机误差是影响该系统精度最主要的因素。
动态距离模拟器输出脉冲的时间抖动由系统各单元输出脉冲的时间抖动引起。由合成不确定原理[4]得系统输出脉冲时间抖动的不确定度为:
式(3)中, σ
实验中,通过安捷伦DSO90404A高性能示波器多次测量各单元的输出时间,由标准偏差的定义
处理实验测量数据得:激光接收单元输出脉冲抖动σr≈150 ps,信号延迟单元输出脉冲抖动为σd≈100 ps,激光器出光时间抖动σe≈200 ps。将σr,σd,σe代入公式(3),得到动态距离模拟器输出脉冲时间抖动E=0.808 ns。依据公式L=ct/2,得动态距离模拟器模拟距离的最大误差为:ΔL=0.12 m。
3 实验
为了验证动态距离模拟器所提供的模拟距离的精度,需要对动态距离模拟器从接收激光主波到发射激光回波的时间间隔进行实际测量。由于激光脉冲为光信号,接收和发射的具体时刻难以测量,因此实际测量时以电信号检测代替光信号检测。
检测模拟距离精度的实验装置如图4所示,首先断开激光接收、信号延迟单元间的连接,然后将激光器和激光接收单元用光纤接通。检测时使用信号发生器产生电脉冲,作为计时开始信号,触发信号延迟单元。信号延迟单元延迟结束后,触发激光器发射激光。激光接收单元通过光纤接收到激光后,将其转化为电信号输出,作为计时结束信号。通过安捷伦DSO90404A高性能示波器测量计时开始与计时结束间的时间间隔,这段时间包括信号延迟单元设定的延迟和信号在系统中的固有延迟。将实验测得的时间间隔读出,检测动态距离模拟器的模拟距离精度。
实验中,延迟控制单元模拟距离设定为5 000 m,信号发生器以2 Hz的频率触发动态距离模拟器的信号延迟单元,采用安捷伦DSO90404A高性能示波器测量100组时间间隔数据。
通过脉冲式激光测距体制设备测距时距离时间转化公式t=2L/c,将测得的时间数据转化为距离值,得到如图5所示的实验结果。统计得出,模拟距离的平均值为5 000.01 m,标准差为0.04。实验证明,动态距离模拟器对星载激光测距体制设备进行高精度的地面检测实验, 动态距离模拟器应用效果良好。
4 结论
动态距离模拟器中信号延迟单元具有高分辨率、低插入延迟和低抖动等特点,延迟控制单元修正了系统的固有延迟,使得动态距离模拟器的精度得到较大的提高。经理论分析、实验验证,模拟距离精度优于0.15m。动态距离模拟器可由主控机或手动输入模拟距离信息、并同时模拟两个距离值,在室内即可对星载激光测距体制设备进行地面检测实验,应用效果良好。
参考文献
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测距设备 篇2
《煤矿安全规程》规定“2机车或2列车在同一轨道同一方向行驶时, 必须保持不少于100m的距离”, 机车的制动距离“运送物料时不得超过40 m;运送人员时不得超过20m”。但是在井下肉眼很难准确判断距离, 如果2机车运行时不保持足够的距离, 很可能发生碰撞事故。机车防撞系统能够较好地解决该问题。目前一些矿井机车防撞系统采用超声波、雷达、激光及视觉等技术对前方机车及行人进行测距。其中超声波测距易受外界温度、湿度等因素影响, 只适用于较短距离的测距;雷达测距的空间覆盖范围有限, 相互之间可能会产生电磁干扰;基于单目视觉或双目视觉的测距方法虽然精确度较高, 但造价及能耗较高[1,2]。本文介绍一种基于激光测距的矿井机车防撞测距系统。该系统能准确测量出机车与前方目标物体的间距, 通过液晶显示或声光报警方式向机车司机发出预警, 避免发生碰撞事故。
1 激光测距原理及目标物体状态判断
1.1 激光测距原理
激光测距是一种光波测距方式。设激光以光速c (本文取c=3×108m/s) 在空气中传播, 在两点间往返1次所需时间为t, 则两点间距离为
由式 (1) 可知, 测量两点间距离实际上是测量激光传播时间[3]。根据时间测量方法, 激光测距通常分为脉冲式和相位式两种方式。相位式激光测距方式一般应用于精密测距中, 远距离测距能力较脉冲式激光测距方式差。因此, 本文采用脉冲式激光测距方式。
脉冲式激光测距过程:①激光发射源发射激光脉冲, 同时启动计时器开始计时;②激光脉冲遇到目标物体, 发生漫反射并产生回波, 接收机接收到回波的同时计时器停止计时;③根据计时结果计算出目标物体与接收机的间距。脉冲式激光测距时序如图1所示。其中t0为激光实际飞行时间;ta为发射的激光脉冲的上升沿到计时器开始计时的时间;tb为回波上升沿到计时结束的时间;t′为计时器计时时间。
从图1可看出计时误差为
当时钟信号频率提高时, ta, tb同时减小, e随之减小, 所以提高计时脉冲频率可提高脉冲式激光测距的测量精度。本文介绍的矿井机车防撞测距系统采用基于传输线延迟法的高精度计时芯片TDC-GP1, 其校正和控制时钟的频率可达350 MHz。
井下温度、粉尘、光源等对激光具有吸收、散射作用, 影响激光测距精度。在考虑激光对人体安全因素的同时, 系统选用波长为905nm的近红外半导体激光, 其对烟、尘、雾等具有较好的穿透性, 测量范围为0.1~150m。
1.2 目标物体状态分析
机车运行时, 系统检测到的前方目标物体有静止和移动2种状态。可根据机车与目标物体之间的距离s判断具体状态。受机车运行速度v0 (可通过机车速度传感器获得) 和前方目标物体速度v1影响, s时刻发生变化。设在极短的时间Δt内, 分别为v0, v1的平均速度, 机车与目标物体之间的距离变化为Δs, 则有
当ds/dt>0, 即v0
其加速度为
2 系统硬件设计
2.1 系统结构
基于激光测距的矿井机车防撞测距系统主要包括以STC90C516RD+单片机为核心的控制器单元、激光发射及回波检测单元、激光飞行计时单元、显示器等, 如图2所示。
控制器控制半导体LD (Laser Diode, 激光二极管) 发出激光脉冲, 同时启动激光飞行计时单元计时。大部分出射激光脉冲遇到前方目标物体时发生漫反射, 反射波 (即回波信号) 被回波检测单元接收, 经光电转换及放大整形处理后触发激光飞行计时单元停止计时。系统根据式 (1) 计算机车与前方目标物体的距离, 再结合当前机车速度, 根据式 (4) —式 (6) 判断目标物体的运行状态及速度、加速度信息, 并由显示器显示相关信息。机车在弯道运行时, 角度传感器可检测当前机车轨道的弯度, 控制器控制LD转动一定角度来减少弯道对测距的影响。
2.2 激光发射驱动电路
激光在飞行过程中受环境影响, 其回波强度会大大削弱。为提高系统测距精度, 在激光射出时设计驱动电路来压缩激光脉冲宽度, 提高上升沿上升速度。《煤矿安全规程》规定信号传输电气设备的额定供电电压不超过127V, 尽可能设计低电流的驱动电路。系统选用PGEW 1S09LD, 其价格低廉, 能用较低的驱动电流获得高峰值输出功率, 输出波长为905nm, 能够保持良好的温度操作范围和较小的输出光束发散角。激光发射驱动电路如图3所示。
STC90C516RD+引脚P1.0输出的脉冲信号经反相器74HC04反相后控制电子开关MAX4516闭合与断开, 从而控制晶体管Q1导通与关闭。当Q1关闭时, 直流电压经R5, R6, R7对C4充电;当Q1导通时, C4经Q1, R6, LD迅速放电, 从而使LD发出功率较大的激光脉冲。
2.3 激光接收电路
激光接收电路采用Si-APD C30724E半导体光电二极管进行设计。该二极管工作的中心波长为905nm。电路前端将接收到的微弱回波信号转换成随光强度变化而变化的电流信号。由于接收信号比较弱, 转换后的电流信号比较小, 一般不直接用于控制信号, 所以需设计光电转换电路及前置放大电路将电流信号转换成电压信号, 再将该电压信号经主放大电路放大至激光飞行计时单元的最佳输入电压范围才能触发计时器停止计时[4]。激光接收电路如图4所示。
主放大电路选用带宽为150 MHz、压摆率为1 500V/μs的可变增益放大器AD8330进行设计。AD8330可将输出提高至10V峰值, 增益主要由引脚VMAG, VDBS控制, W1, W2用于调节VMAG和VDBS引脚的电压VMAG和VDBS。主放大电路的放大倍数η为
2.4 计时器与单片机接口电路
激光飞行时间的测量精度直接决定了系统测距精度[5]。当起始计时脉冲和停止计时脉冲的上升沿之间或下降沿之间的时间差为几十或几百ns时, 传统的采用低频率脉冲的计时方法已不能满足要求。本系统选用的TDC-GP1计时精度可达250ps, 这是传统计时方法达不到的。根据实际需求, 激光飞行计时单元选用TDC-GP1的量程1 (3 ns~7.6μs) 进行设计。
STC90C516RD+控制激光发射驱动电路发出激光脉冲信号。激光脉冲发出时少量的内部采样信号经整形放大后触发TDC-GP1启动计时。出射激光脉冲遇前方目标物体发生漫反射后被回波检测单元接收, 回波信号经光电转换及放大电路整形放大后触发TDC-GP1停止计时。TDC-GP1通过内部计算逻辑单元ALU计算出时间间隔并将其存入结构寄存器, 同时向STC90C516RD+发出中断信号告知计时结束。
2.5 显示电路
STC90C516RD+读取计时数据, 计算出机车与目标物体的间距, 同时与安全距离数据进行对比, 由显示器显示目标物体距离、是否在安全距离范围之内等信息。显示器选用可显示汉字与图形的DM12864M液晶显示屏。
2.6 弯道运行时测量方法
系统在实际应用中需考虑运输巷弯曲、存在坡度等情况对测距的影响。参考文献[6]指出:机车运输适用于平均坡度3‰~5‰的水平巷道;局部最大坡度不超过30‰。针对坡度对系统测距的影响, 系统采用如图5所示的安装方式。假设巷道最大坡度为30‰, 将系统安装在离地面高1.5 m处时, 上坡时可测距离sab=50m (下坡时当机车到达a点时测距也是50m) , 满足机车的制动距离“运送物料时不得超过40 m;运送人员时不得超过20 m”的要求。实际坡度越低, 系统的测距范围越大。实际应用时根据坡度适当调整安装高度即可。
针对弯曲巷道对系统测距的影响, 系统采用角度传感器测出当前机车转动角度, STC90C516RD+采集转动角度信息后控制电动机适当转动激光发射及接收端, 从而降低测量误差。
3 系统软件设计
系统软件采用模块化结构设计方法, 在Keil C51集成开发环境下采用C51语言编程设计。软件主要由主程序和激光测距、数据传递、距离计算、显示等子程序组成。
上电后系统对STC90C516RD+、DM12864M及TDC-GP1初始化, 选择GP1工作模式。STC 90C516RD+引脚P1.0控制LD发出激光脉冲, GP1start通道接收到脉冲信号 (start) 后开始计数, stop1通道接收到脉冲 (stop) 后停止计数。计数结束后, GP1中的ALU按照设定模式计算出start脉冲和stop脉冲之间的时间差, 将其存于结果寄存器, 并向STC90C516RD+发出测量结束中断信号。若采样到start脉冲后在7.6μs (量程1) 内还没接收到stop脉冲, 则GP1产生溢出中断。STC90C516RD+通过读GP1的状态寄存器来判断上述2种中断, 如果是测量结束中断则直接读取结果寄存器中数值, 如果是溢出中断则判断为无效, 重新初始化, 准备下一次测量。
4 测试结果与分析
井下环境比较复杂, 结合《煤矿安全规程》的规定, 模拟矿井环境并采用该系统对指定目标物体进行了20~100m范围的测试, 结果见表1。
m
从表1可看出, 系统测量的初始平均误差不大于0.22 m。产生误差的主要原因及解决方案:①式 (2) 中的误差只能有效降低, 但依然存在, 提高计时脉冲频率可适当减小该误差[7];②放大电路输出的信号幅度不同导致出现误差, 可通过改进放大电路, 使其输出信号为一个固定值来减小该误差;③温度变化引起测量误差, 根据参考文献[8]可知, TDC-GP1工作温度为25℃时测量误差最小, 此外, 该芯片的制造工艺参数、供电电压的变化都会引起测量误差。
对测得的数据进行修正可降低误差。在Matlab中采用最小二乘法对一阶多项式y=ax+b进行线性拟和, 得a=0.999 1, b=-0.131 0, 则
修正后的误差见表1。可看出修正后的误差基本上在0.03m以内, 符合机车运行时的测距要求。
5 结语
基于激光测距的矿井机车防撞测距系统测距精确度高, 成本低, 可应用于井下机车、工厂车间运输车及汽车防撞报警系统中, 也可用于教学研究。下一步将深入研究如何降低运输巷弯曲对系统测距精度的影响。
参考文献
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RSSI测距技术探索 篇3
关键词：无线传感技术,RSSI,回归分析
1 研究背景
物联网, Internet of Things (IOT) [1], 根据国际电信联盟 (ITU) 发布的ITU互联网报告所做的定义, 是通过二维码识读设备、射频识别 (RFID) 装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备, 按约定的协议, 把任何物品与互联网相连接, 进行信息交换和通信, 以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。而在其应用中的三项关键技术里, 排列在首位的是无线传感器技术。
无线传感器网络, 由一些节点组成。节点具有感知物理世界信息 (温度、湿度、光强等) 、处理信息、与其他节点通信的能力。每一个节点具有质量轻、体积小、成本低、能耗低的特点。所有节点协同的处理数据, 最后将数据发送至用户的本地计算机上。这样, 用户即可不必身临节点所处的环境中, 而得到该环境中一些有用信息[1]。
我们所研究的RSSI技术, 即通过传感器节点接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离, 进而根据相应数据进行定位计算的一种定位技术, 在现如今炙手可热的物联网及无线传感器网络上节点定位方面有重要的应用[2,3,4,5]。
2 开发环境
实验硬件平台采用美国Crossbow公司研制的Telos B节点。Telosb节点采用具有16位精简指令系统, 其工作主频为8M并具有一个RAM大小为10KB的MSP430低能耗微处理器, 其通信模块为CC2420无线收发芯片。CC2420是符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器。该芯片可通过编程设置为8个不同等级的输出功率, 其最大功率通信距离可达100米[6]。
软件平台主要包括节点软件和数据处理部分。节点软件采用nes C语言在开源的Tiny OS2.0操作系统[7]上完成。数据处理软件采用著名的工具MATLAB。
3 实验内容
3.1 数据收集
数据收集的操作是在一片平直的坡道上进行的, 使用两个Telos B节点分别作为接受器和发送器。选择天气晴朗无风的一天, 在坡道上固定一个发送器节点, 把接受器节点分别固定在5米、9米、12米、16米、22米进行测量, 每组数据包含三次测试, 通过程序控制不选取不稳定的前20个数据, 选取之后的20个较稳定的数据, 并且保存到文件中以便进行处理分析。
将五组数据各自后导入Matlab, 为剔除极端值影响, 把误差控制在可接受范围内, 用作图法得出其中间值。如图1所示。
3.2 数据分析
设自变量x=[5 9 12 16 22], 因变量y=[-12.0000-22.5000-26.0000-31.5000-33.000]对以上数据进行回归分析。
3.2.1 线性回归
可知回归模型为y=-9.6745-1.1973x。
残差分析 (如图2所示) :
rcoplot (r, rint)
从残差图可以看出, 数据的残差离零点均较近, 且残差的置信区间均包含零点, 这说明回归模型y=-9.6745-1.1973x能较好的符合原始数据。
预测及作图 (见图3) :
3.2.2 多项式回归
以三次多项式回归为例:
得回归模型:
预测及作图: (见图4)
3.3 实验结果
经比较与分析可得, 多项式回归比线性回归更符合原始数据的分布。因此, 我们探索RSSI技术所使用的telosb传感器的RSSI与距离的关系为:
若实际测量不发生大的改变, 该模型能较好地利用RSSI值对节点间距离进行测量。
4 结论
利用telosb节点构建了物联网硬件平台, 使用运行在节点之上的Tiny OS操作系统借助RSSI方法在实际环境中进行了测距, 在收集到足够的数据后, 使用matlab进行后期数据处理, 结合相关的理论, 建立了在相应环境下的数学模型, 经过与实际数据的参照与对比, 证明该模型在该环境下的测距是可行且具有一定的精确性。
5 未来工作
RSSI和距离的关系在实际测量中还受到很多因素的影响, 比如:风力的强弱、两个节点间的遮挡物的大小和个数、温度等等, 这些因素还有待进一步实验研究, 并针对不同环境建立相应的测距模型。
参考文献
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超声波测距系统 篇4
目前各种超声波仪器和装置己经广泛地应用在工业、通信、医疗等许多行业中。超声检测技术的基本原理是利用某种待测的非声量(如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流量、液位、厚度、缺陷等)之间存在着的直接或间接的关系,在确定了这些关系之后就可通过测定这些超声物理量来测出待测的非声量。正是在这种工作原理下,我们可以充分地利用超声波的各种特性来研制超声波传感器,配合不同的信号处理与显示电路完成许多待测量的检测工作。
测距是立足于声速在既定的均匀媒介传播速度有一恒定数值,不随声波频率变化的特点。超声波测距的关键是把声源由反射到返回的传播时间计量出来,若要求测距误差小于0.01米,那么测量时间的误差必须小于30微秒。因此,实现声波测距须避开直接测量时间的方法,才能获得实用的测长精度。
1 超声测距原理
本文的硬件设计采用超声波往返时间检测法,其原理为:检测从超声波发射器发出的超声波(假设传播介质为气体),经气体介质的传播到接收器的时间即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘,就是声波传输的距离。而所测距离是声波传输距离的一半,即:
在上式中,L为待测距离,v为超声波的声速,t为往返时间。若要求测距误差小于O.lm,已知声速v=344m/s(20℃时),显然,直接用秒表测时间是不现实的。
因此,实现超声波测距必须避开直接测量时间的方法,才能获得实用的测长精度。对超声波传播时间的测量可以归结到对超声波回波前沿的检测。检测脉冲计数法:脉冲检测法是对有回波信号经检测电路产生的脉冲进行检测的方法。本文采用的是脉冲检测计数法。这种方法实现起来较包络检测方便,电路实现简单,精度也较高。实现的方法是当回波信号经放大处理后,进入比较器,调整好合适的阈值在比较器的输出端就会产生40k Hz的方波。利用查询或者中断的方法便可以检测出这些脉冲,便于测量出发射到接收到脉冲的时间。
2 超声测距系统的总体方案
发射电压从理论上说是越高越好,因为对同一只发射传感器而言,电压越高,发射的超声功率就越大,这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大,对于接收电路的设计就相对简单一些。但是,每一只实际的发射传感器有其工作电压的极限值,即当工作电压超过了这个极限值之后,会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害。
发射部分的点脉冲电压很高,但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏,要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。最终达到对回波进行放大检测,产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。
3 超声测距系统的硬件
3.1 发射电路(1)发射波形
发射部分用单片机控制产生40KHz的方波,然后加以驱动。
如图二所示波形是PWM波形经过三极管放大后发生轻微变化,之后送至发射传感器发射的信号波形,理论上说该信号是稳定无变化的。为使传感器充分震荡,发射脉宽不可以过小,一般来说我们选择40KHz的方波信号,但是实际情况是我们可以得到频率为39KHz到40KHz之间的信号。
(2)发射电压
传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度,综合各种损耗的因素,包括往返传播损失、声波传输损失、声波反射损失、环境噪声损失等。在发射端电源处极其容易产生干扰,可以选择适当大小的电容进行滤波。设计的发射电路如图三所示。
3.2 接收放大部分
接收放大单元的作用是对有用的信号进行放大,并抑制其它的噪声和干扰,从而达到最大信噪比,以利检测单元的正确检测。超声波回波经超声波接收传感器,电容隔直滤波,一级放大,二级放大后,在解码器的输出端有信号时将得到低电平进入单片机以产生中断用于计时。
在传感器接收到的信号中,除了障碍物反射的回波外,总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声。环境噪声主要集中在低频段,远离回波信号频率。因此系统的总噪声系数主要有接收机的内部噪声决定,其功率谱宽度远大于接收机的通频带。而且内部会产生一个与有用信号频率基本相同,只有幅值不同的信号,可以使用一些特殊的电路将其隔离。
3.3 检测单元
接收信号放大到2V左右时,就可以进行信号检测。信号检测的目的是确定接收信号的到达时间,这是整个电路中一个关键的地方。因为它不仅决定系统的测量精度,还关系到整个系统是否能正常工作。
检测电路设计的要求是保证每次接收信号都能被准确的鉴别出来转换成数字脉冲去触发单片机的外中断引脚。通常采用某一固定电平或滑动门限电平作为比较电平。以零电平作为比较电平是行不通的,因为放大后的信号中含有一定幅值的噪声,这样一来,即使没有接收信号,也会造成比较器反复触发,从而无法判断那个信号是真正的接收信号。若采用某一高于一般噪声峰值的固定电平,这样做可以削除一般噪声的影响,而且比较电平固定,可以实现对电路信号的准确检测。
3.4 显示单元
显示器是一个典型的输出设备,而且其应用是极为广泛的,几乎所有的电子产品都要使用显示器,其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使用LED发光二极管,给出一个简单的开关量信息,而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏。
3.5 声速校正
要想通过测量超声波传播时间确定距离,声速C必须恒定,实际上声速随介质、温度、压力等变化而变化。一般情况下,由于大气压力变化很小,因此传播速度主要考虑温度的影响。对一定介质,通常采用对温度进行修正的方法,可以测得比较准确的距离。通过对温度修正来校正声速的方法,即用测温元件测量实际环境,根据声速与温度的关系计算出测量时实际环境中的声速,再根据测距公式得到距离。空气中声速C与温度T的关系在常温下可由下面近似公式(2)表示:
3.6 干扰问题及其解决方法
这里的干扰主要外界高频噪声及电源等对信号产生的干扰,由于这类干扰信号尤其是电源干扰信号和有用信号极其相似,因此在这段时间里不容易检测出回波信号。
针对高频噪声和电源干扰,可以通过选择合适的元器件,加之滤波电路就可以消除干扰,对接收部分的信号放大处理也可以采用隔离抗干扰技术。这样的处理可以很好的消除干扰。
4 系统软件
在系统硬件构架了超声测距的基本功能之后,系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。根据以上所述系统硬件设计和所完成功能,系统软件需要实现以下功能:
(1)信号控制
在系统硬件中,己经完成了发射电路、回波接收电路、接收信号显示的设计。在系统软件中,要完成接收控制信号、发射脉冲信号、峰值采集信号的时序及输出以及信号处理后的显示等。
(2)数据存储
为了得到发射信号与接收回波间的时间差,要读出此刻计数器的计数值,然后存储在RAM中,而且每次发射周期的开始,需要对计数器清零,以备后续处理。
(3)信号处理
RAM中存储的计数值并不能作为距离值直接显示输出,因为计数值与实际的距离值之间转换公式为:
其中,T为发射信号到接收之间经历的时间,Tr为方波信号作为计数脉冲时计数器的时间分辨率,N为计数器的值。在这个部分中,信号处理包括计数值与距离值换算,二进制与十进制转换。
(4)数据传输与显示
经软件处理得到的距离送到四位LED显示。
由于距离值的得出及显示是在中断子程序中完成的,因此在初始化发射程序后进入中断响应的等待。在中断响应之后,原始数据经计数值与距离值换算子程序,二进制与十进制转换子程序后显示输出。
整个系统软件功能的实现可以分为主程序、子程序、中断服务程序几个主要部分。
摘要：本文介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声测距系统。该系统以空气中超声波的传播速度为确定条件,利用反射超声波测量待测距离,并且描述了系统研制的理论基础。文章概述了超声检测的发展及基本原理,介绍超声传感器的原理及特性,并且在介绍超声测距系统的基础上,提出了系统的总体构成。
关键词：超声波,单片机
参考文献
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[2]王纯正.超声学[M].北京:人民卫生出版社,1993.
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光子计数激光测距技术研究 篇5
为了实现更高的探测灵敏度、更远的探测距离和更大的数据采样率,国际上纷纷展开了对于各种新型激光测距技术的研究工作,光子计数激光测距技术便是其中之一。以美国NASA[1]、MIT林肯实验室[2]为代表的国外多家研究机构已经在光子计数激光测距领域展开了多年的研究工作,研制出了一系列演示验证系统,展示了光子计数激光测距的技术优势和应用潜力。
光子计数激光测距与线性探测体制一样,都采用了直接脉冲探测的方法,通过记录发射激光脉冲和回波光子信号的时间来实现目标距离信息的获取。光子计数激光测距技术采用高重频、低能量的激光器和灵敏度极高的单光子探测器(PMT或Geiger-mode APD),将线性探测体制下包含大量光子的回波波形探测转换为针对单个回波光子事件的“计数”,充分利用了回波信号中的能量(单光子级别),利用目标距离信息的相关性和光子事件累积计数,在背景噪声和暗计数中将真实的距离数据提取出来,提高探测概率,最大限度提高系统探测灵敏度和探测效率。光子计数激光测距技术的优点是能够以较低的激光脉冲能量获取远距离目标的距离信息,大大简化了激光雷达系统,降低了系统对于功耗、望远镜口径等平台资源的要求[3]。
1 光子计数激光测距原理
1.1 信号和噪声模型
当激光脉冲照射到朗伯目标时,单光子探测器能够对回波光子进行响应并产生的平均光电子数可由激光雷达方程计算,由于激光雷达的探测视场一般大于激光发散角,此处采用了激光雷达的面目标探测形式[4]。
式(1)中,Ns是单次激光探测过程中探测器产生的平均光电子数;ρ是目标表面的反射率;Ta是激光雷达与目标之间的单程大气透过率;ηt是激光发射系统光学效率;ηr是激光接收系统光学效率;Ar是接收望远镜有效口径面积;Et是激光发射单脉冲能量;R是激光雷达和目标之间距离;ηq是单光子探测器的量子效率;hν是相应激光波长的单光子能量。
光子计数激光雷达的噪声主要源自探测器视场内的背景光噪声和单光子探测器本身的暗计数(Dark Counts),两种噪声的产生是相互独立的两个随机过程。因此,系统总的噪声光电子数可由两者的叠加表示
式(2)中,Nn是总的平均光电子数,代表了在单位时间内探测器响应的噪声光电子数的平均值;Nb是背景光噪声函数的平均光电子数;Nd是探测器暗计数。
探测器的暗计数由探测器本身的性能决定,对于性能较好的单光子探测器一般小于1 kHz。激光雷达探测视场内的日光背景噪声强度可由如下表述[5]
式(3)中,T'a是太阳到目标表面的大气透过率;θr是目标探测视场角;θsun是阳光照射方向和目标表面法向夹角;Δλ是接收光学系统滤光片带宽;Nλ是大气层外激光波长附件的太阳光谱辐照度。对于532 nm波长,Nλ的值约为1.83 W/(m2·nm);对于1 064 nm波长,Nλ的值约为0.75 W/(m2·nm)。
1.2 光子计数激光测距理论
根据统计光学理论,在光子计数激光测距中,目标表面散射回来的激光回波信号,在强度分布上是一个被伽马分布的激光散斑噪声调制后的泊松分布,因此,单光子探测器产生的信号光电子应当服从负二项分布[6]。
当平均信号光电子数Ns远小于接收光学系统的散斑自由度M时,负二项分布进一步退化成泊松分布。对于光子计数激光测距,回波信号的强度一般处在单光子量级,Ns·M的条件成立,采用泊松分布来近似分析系统的探测模型能够较为准确的反应系统性能。此时,Δt时间间隔内k个光电子事件被单光子探测器探测到的概率可由下式表述[7—9]:
式(4)中,Nsn=Ns+Nn是信号光电子和噪声光电子的平均数。上式完全描述了光子计数激光雷达在采样时间ΔT内探测到光电子事件的分布情况。
光子计数激光测距本质上是将探测距离分成若干个距离栅格,每个距离栅格对应了激光探测过程中的一个时间段,通过对各个时间段内光电子信号事件的统计,利用目标信号和噪声信号不同的概率密度实现噪声信号的滤除。光子计数激光测距中单个距离栅格内的探测概率是该栅格对应时间间隔内信号光电子和噪声光电子共同作用的结果,当至少有一个光电子信号产生时,则认为探测到信号。根据式(4)描述的探测模型,在单个距离栅格内没有探测到任何光子信号的概率为
因此,单个距离栅格的信号探测概率为
式(6)中,Nsn是距离栅格对应时间Δt内产生的平均光电子数。
大部分单光子探测器都存在死时间效应(Deadtime Effect),该效应由探测器本身对于光子信号的响应时间决定。以本文使用的盖革模式雪崩二极管为例,受到探测器响应和淬灭电路(Quenching Circuit)限制,探测器在探测到第一个光子信号后,需要一段时间来恢复工作状态。对于大部分的商用盖革APD,探测死时间一般处于10—100 ns量级。受探测器死时间和探测器噪声信号的影响,在一次有效探测中,第一次探测到的光子信号会对后续信号的探测产生抑制作用,光子信号的探测概率会出现一定程度上的衰减。在综合考虑死时间效应后,信号的探测概率可表述为
式(7)中,Nn是平均噪声光电子数;tdead是探测器的死时间。
2 光子计数激光雷达实验系统
为了分析光子计数技术应用于激光测距的性能,现设计研制了光子计数激光测距实验系统,实验系统原理结构如图1所示。激光雷达工作时,激光器发射的激光脉冲信号经过发射光学系统照射到目标表面,目标散射回来的激光信号由望远镜接收,利用光纤将接收到的光信号耦合至单元盖革APD上。激光雷达的主波和回波信号输出至TDC测时模块,将激光光子的飞行时间记录下来。控制和数据传输模块负责控制整个激光雷达实验系统的工作状态,并将采集到的数据传输至计算机。
实验系统采用了532 nm被动调Q微片激光器,激光脉宽约为550 ps(FWHM),发射激光能量约1μJ,重复频率10 kHz,出射激光发散角约为100μrad。采用20 mm口径的望远镜接收激光回波信号,当目标距离较近,激光回波能量过大时,利用可以调整的孔径光阑将接收到的激光信号衰减至单光子量级。单光子探测器采用Excelitas公司的盖革单光子探测模块(Single Photon Counting Module,SPCM),在532 nm处单光子探测效率达到50%以上,时间分辨率约300 ps,探测死时间30 ns,最大计数率25 MHz,暗计数小于250 Hz,通过多模光纤耦合的方式将光信号耦合至探测器光敏面上。主波探测采用高速的PIN光电二极管。时间测量系统采用基于FPGA延迟线内插的时间-数字转换电路[10](Time to Digital Converter,TDC),测时精度达到80ps,分辨率59 ps。为了抑制背景光噪声,激光雷达系统将探测视场压窄为100μrad;将盖革APD工作于门控探测模式下,门控时间为1μs;利用1 nm的窄带滤光片来滤除大部分激光波长以外噪声信号。
3 系统性能分析
为了验证光子计数激光测距的原理,评估其工作于强光背景噪声条件下的系统性能。利用设计的光子计数激光雷达系统,在白天日照条件下对40m外的标准反射率靶板进行了室外测距实验。
实验过程中,回波光电子数可依据激光雷达方程估计。其中,标准反射率靶板的反射率ρ=0.15,测试目标距离R=40 m,大气透过率Ta=0.99,调整孔径光阑遮拦后系统接收效率约为ηr=0.009,此时,回波光电子数约为113个。为了使接收系统能量尽量接近单光子量级,可进一步利用衰减片调整探测器接收到的激光能量,使回波光电子数在0—10波动。
图2是激光回波信号强度约为2个光电子时的对外测距实验结果。其中,图2(a)是激光雷达探测到的光子事件的空间点云分布情况,噪声信号较为均匀的分布在整个探测空间内,40 m处光子事件发生的密度明显强于其他距离处,有着极高的探测概率,通过光子计数累积和目标距离相关处理,能够有效的将噪声信号滤除掉,提取出目标的真实距离。经过滤噪处理的点云数据如图2(b)所示。图3是激光回波光子信号的累积分布图,当回波信号强度为2个光电子时,系统的测距精度约为6.23 cm。
进一步采用不同衰减率的衰减片对目标进行测距实验,实验结果如表1所示。分析表1中的实验数据,当回波光电子数较多时,目标的测距平均值偏近,测距精度较高;当回波光电子数较少时,目标的测距平均值偏远,测距精度降低。产生以上实验结果的原因是,当回波光电子数较多时,回波能量较大,触发单光子探测器的光子信号大部分来自于激光脉冲的前沿,较为集中,由于死时间效应,脉冲后沿的光子被探测到的概率降低,因而其测距值偏近,测距精度较高;当回波光电子数进一步衰减,回波能量较小时,整个激光脉宽内的光子信号都有可能触发探测器,因而其测距值偏远,受到激光脉宽的影响,其测距精度也较强回波能量时低一些。由此可见,在光子计数激光雷达中,激光脉宽将在很大程度上影响系统的测距精度,若要进一步提高测距精度,需要进一步压窄激光脉冲的脉宽,此外,探测器响应、时间测量系统精度等环节也会在一定程度上引入测距误差。
(Ns≈2 photonelectrons)
(Ns≈2 photonelectrons)
图4是不同回波强度下实验探测概率和理论分析值的对比,实验数据结果与建立的光子计数激光测距模型和设计参数相吻合,有效验证了光子计数激光测距的原理和设计理论,实验系统能够达到预期的性能。
4 结论
光子计数激光测距技术具有灵敏度高、资源消耗少、探测效率高以及探测距离远等优点,是新型的激光测距技术。本文主要研究了光子计数激光测距技术的原理,并在此基础上设计了光子计数激光雷达系统,以单光子灵敏度在日光背景噪声条件下实现了目标测距和数据提取,系统测距精度达到6.23 cm。实验装置和测试结果很好的验证了噪声条件下光子计数激光测距的原理和系统设计方法,进一步的研究工作将会深入地研究回波光电子数和测距误差的之间的关系,设计补偿算法,降低系统测距误差,取得更高的测距精度。
摘要：光子计数激光雷达采用了灵敏度极高的单光子探测器,能够将激光雷达系统的灵敏度提高2—3个数量级,具有极大的发展潜力和技术优势。介绍和分析了光子计数激光测距技术的基本原理和优点。设计了光子计数激光雷达实验系统,采用盖革模式的雪崩二极管(Geiger-mode APD),开展了测距验证实验。实验结果表明,采用光子计数激光测距能够在单光子灵敏度和强噪声背景条件下,获取目标的距离信息,距离测量精度达到6.23 cm。
关键词：激光测距,光子计数,单光子探测器
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浅析超声波测距系统 篇6
目前在国民生活生产中的各个领域里都得到了人们的应用, 尤其是化工, 航海, 机械制造, 交通等领域内, 另外在医学、材料科学、生物科学等领域中也占有重要的地位。
1 超声波测距的原理
由超声波发生器在控制系统的控制下, 向被测物体发射超声波, 同时控制计时器进行计时, 超声波在向被测物体传播时, 当它接触到被测物体时, 会被反射, 回波被接收装置接收, 同时控制计时器结束计时, 计时器所记录的时间即为超声波来回的时间, 通过计算就可以得到发射点距被测物的距离。原理如图1所示。
超声波在空气中的传播速度为C, 根据计时器上记录的时间t, 就可以计算出测试点距被测物体的距离L, 即:
测量误差满足公式 (2) :
式中:
σL———为距离误差;
σC———为声速误差;
σt———为时间误差。
测量电路简单, 测量的范围适中, 精度较好, 使用较为广泛。
2 国内外超声波测距技术研究进展
近年来, 由于各种超声波检测仪器大量问世, 带动了超声波测距系统的长足发展。目前在超声波回波信号的处理方法上、新型的超声波换能器的研发上、超声波发射脉冲的选取三个方面, 做了大量的研究工作, 并针对影响超声波测距的因素, 提出了温度补偿、接收回路串入自动增益调节等措施, 提高了超声波测距系统的准确度。但是作为超声波测距系统的关键技术之一, 回波信号处理仍然是目前研究的重点方向。
2.1 国内超声波测距技术研究进展
国内在超声波测距仪器上的研究也步入了国际先进行列。其中, 由某研究院设计的型号为2000A的超声分析检测装置, 是一个智能化测量仪器, 在它的内部自带一个微处理器, 所有的操作全部在微处理器的控制之下, 其测试波形清晰, 状态稳定, 且操作简单, 并具有断电存贮的功能。其先进的设计理念, 齐全的使用功能, 且在设计上的创新和突破都遥遥领先与国内同类产品, 并进入了国际领先行列。
李云龙等人在2012年第1期《仪表技术与传感器》发表的“新型嵌入式超声波测距系统”一文中, 设计了一种以C8051F320单片机、反激变换器和专用集成电路为核心元件的超声波测距系统, 它可以增大超声波的发射频率和准确接收回波信号。测试结果表明这种系统测量数据准确, 线性度好, 性能稳定, 成本低等特点可以广泛应用于工业领域。
王小华等人在2012年第33期《广西物理》发表的“基于温度补偿的超声波测距系统设计”一文中, 设计了一个超声波测距系统, 它包含AT8951单片机, 发射、接收电路, 温度补偿电路及显示电路等5部分。对温度、距离衰减及时间差测量进行补偿。实验结果证明该系统, 稳定, 精度较高, 最大误差小于2cm。
2.2 国外超声波测距技术研究进展
国外在超声波测距领域起步较早, 尤其在超声波测距精度方面做了大量的研究, 其中Zhenjing Yao, Tao Gao等人在2012年第7期《Journal of Networks》发表的“The Optimized Pseudorandom Digital Modulation Excitation Sequences for Multichannel Ultrasonic Ranging system”一文中, 提出了采用多通道超声波传感器随机数字调制激励序列, 以避免串扰。充分利用了传感器的带宽来配置传感器的调制参数, 它可以使八通道超声波测距系统协同工作, 并无串扰, 具有最大误差不超过4.1cm的精度。
Jackson Joseph, Summan Rahul等人在2013年第60卷《Ferroelectrics and Frequency Control》发表的“Time-of-flight measurement techniques for airborne ultrasonic ranging”一文中, 对超声测距方法的不同技术和局限性进行了综述, 重点对测量精度和可重复性进行了讨论。得出“简单的时域方法都与它们的频域等值相关”的结论。
3 结论
纵观上述可以发现, 超声波测距技术的研究, 除了采用先进的计算机控制技术之外, 主要集中在对测距信号的影响因素以及补偿处理方法等方面, 以提高测距精度与可靠性。
摘要：超声波检测的优点在于非接触型, 高精度, 简单易操作, 因此在国民生产生活的各个领域都得到了广泛的应用。本文通过对超声波测距原理进行阐述, 并针对国内外超声波测距技术发展的现状进行了论述, 表明了超声波测距的先进性和准确性以及可操作性。
关键词：超声波,测距,技术
参考文献
[1]李云龙, 卜雄洙, 赵文, 朱雅平.新型嵌入式超声波测距系统.仪表技术与传感器, 2012, No.1:97-99.
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超声波测距系统设计 篇7
在常温常压下。超声波在理想气体中的传播速度为:
C=√Rrt∕M (m/s) 式中, M为气体的摩尔质量;r为气体的定压比热Cp与定容比热c r之比;R为摩尔气体常数;T为热力学温度。对于一定的气体, r、R、M为定值。由公式可知:声速与热力学温度的平方根成正比。在温度T为273.16K、气压为标准大气压情况下, 空气中声速的实验值为:C0= (331.45±0.05) m/s, 在其他条件保持稳定, 计算不同温度时, 空气中的声速可用下式计算:C=C0√T+T0∕T0 (m/s) , 式中, T0=273.1 6K。在实际测量中, 我们可以根据声速与温度的关系作相应的温度补偿。超声波测距的方法有多种, 如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。超声测距最常用的是渡越时间检测法。其原理为:超声传感器发射超声波, 在空气中传播至被测物, 经反射后由超声传感器接收反射波, 并转化为电信号, 测量出发射和接收信号之间的时间差t, 即渡越时间。利用, s=vt/2, 即可算得传感器与反射点间的距离s, 测量距离d=√s2- (h∕2) 2, 若s≧h, 则d≈s;如果使发射、接收传感器非常接近时, h≈0, 则d=vt∕2。其中, d为超声波发射器到被测物体之间的距离;v为超声波在媒体中传播的速度;t为从发射超声波到接收到超声波之间的时间差。
2 超声波传感器系统的构成
超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成。发送器常使用直径为15mm左右的陶瓷振子, 将陶瓷振子的电振动能量转换为超声波能量并向空中辐射。除穿透式超声波传感器外, 用作发送器的陶瓷振子也可用作接收器, 陶瓷振子接收到超声波产生机械振动, 将其变换为电能量, 作为传感器接收器的输出, 从而对发送的超声波进行检测。
控制部分判断接收器的接收信号的大小或有无, 作为超声波传感器的控制输出。对于限定范围式超声波传感器, 通过控制距离调整回路的门信号, 可以接收到任意距离的反射波。另外, 通过改变门信号的时间或宽度, 可以自由改变检测物体的范围。
超声波传感器的电源常由外部供电, 一般为直流电压, 电压范围为12~24V, ±10%, 再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作。
超声波传感器系统中关键电路是超声波发生电路和超声波接收电路。可有多种方法产生超声波, 其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子, 但这种方法需要人参与, 因而是不能持久的, 也是不可取的。为此, 在实际中采用电路的方法产生超声波, 根据使用目的的不同来选用其振荡电路。
3 电路的调试
通过多次实验, 对电路各部分进行了测量、调试和分析。首先测试发射电路对信号放大的倍数, 先用信号源给发射电路输入端一个40k Hz的方波信号, 峰-峰值为38V。经过发射电路后, 其信号峰-峰值放大到10V左右。40k Hz的方波驱动器驱动超声波发射头发射超声波, 经反射后由超声波接收头接收到40k Hz的正弦波, 由于声波在空气中传播时衰减, 所以接收到的波形幅值较低, 经接收电路放大, 整形, 最后输出一负跳变, 在单片机的外部中断源输入端产生一个中断请求信号。该测距电路的40k Hz方波由单片机编程产生, 方波的周期为1/40 ms, 即25μs, 半周期为12.5μs。每隔半周期时间, 让方波输出脚的电平取反, 便可产生40k Hz方波。由于12M晶振的单片机的时间分辨率是1μs, 所以只能产生半周期为12μs或13μs的方波信号, 频率分别为41.6 7 k H z和3 8.4 6 k H z。本系统在编程时选用了后者, 让单片机产生约38.46k Hz的方波。
4 结语
超声波传感器是本系统的核心器件, 单片机是本系统的控制部分。驱动超声波传感器的40k Hz的方波信号, 就是由单片机编程产生的。本系统的发射电路采用74HC0 4六反向器, 通过它对单片机产生的方波信号进行放大, 以驱动传感器工作。接收电路采用的是LM741, 通过接收电路对接收到的信号进行放大和整形, 最终再输出负脉冲给单片机响应中断程序。本系统的LE D显示部分采用的是静态扫描方式, 并用单片机软件译码。单片机内部采用C语言编程, 方波信号的产生、时间差的读取、距离的计算以及显示输出的译码都由单片机编程完成。
本设计的超声波测距系统具有测量精度较高、速度快、控制简单方便等优点。测距范围从20cm到200cm, 测量精度在±2cm内。测距系统在许多工业现场和自动控制场合, 都有很重要的作用。但由于经验不足, 电路硬件、软件部分都有不够完善的地方, 在今后的学习中会进一步改进。
摘要：超声测距是一种传统而实用的非接触测量方法, 和激光、无线电测距方法相比, 具有不受外界光线及电磁场等因素影响的优点, 在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力, 且结构简单、成本低, 因此, 在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了应用。本设计以AT89C51单片机为核心, 发射电路74HC04六反相器, 接收电路LM741, 通过接收到信号放大和整形, 最终输出负脉冲给单片机响应中断, 通过LED静态扫描方式显示出来。本设计测量范围20cm-2m, 误差在2cm左右。
关键词：超声波,单片机,测距
参考文献
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