1、 超声波传感器及其测距原理
超声波是指频率高于20KHz的机械波[1]。为了以超声波作为检测手段,必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应[1]的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。
超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF(time of flight)[2]。首先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
我们设计的超声波测距系统由Polaroid 600系列传感器、Polaroid 6500系列超声波距离模块和AT89C51单片机构成。
2.1 Polaroid 600系列传感器
此超声波传感器是集发送与接收一体的一种传感器。传感器里面有一个圆形的薄片,薄片的材料是塑料,在其正面涂了一层金属薄膜,在其背面有一个铝制的后板。薄片和后板构成了一个电容器,当给薄片加上频率为49.4kHz、电压为300VAC pk-pk的方波电压时,薄片以同样的频率震动,从而产生频率为49.4kHz的超声波。当接收回波时,Polaroid 6500内有一个调谐电路,使得只有频率接近49.4kHz的信号才能被接收,而其它频率的信号则被过滤。
Polaroid 600超声传感器发送的超声波具有角度为30度的波束角[3],如图1所示:
2.2 Polaroid 6500系列超声波距离模块
Polaroid 6500系列超声波距离模块的硬件电路如图2所示:
2.3 AT89C51单片机
本系统采用AT89C51来实现对Polaroid 600系列传感器和Polaroid 6500系列超声波距离模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送,然后单片机不停的检测INT0引脚,当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间,通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。 超声波测距的硬件示意图如图3所示:
系统程序流程图如图4所示:
4、实验数据处理
由于受环境温度、湿度的影响,超声传感器的测量值与实际值总有一些偏差,表1列出了本超声测距系统测量值与对应的实际值:
表1超声测距系统测量值与实际值 单位:cm
y=1.0145x-9.3354 (其中:y为实际值,x为测量值)
修正后本超声波测距系统测量值与实际值的对应关系如表2所示:
表2 修正后超声测距系统测量值与实际值 单位:cm5、结论
利用超声波传感器进行测距,其中主要的就是要保证在电路设计上一定要满足电路工作的可靠性、稳定性。经过实验与分析,我们认为用6500系列距离模块和600系列超声波传感器进行距离的测量简单、经济、可靠,测得数据的误差比较小。