人们可以听到的声音的频率为20Hz~2KHz,也就是可听声波,超出此频率范围的声音,20Hz以下的声音称为低频声波,20KHz以上的声音称为超声波(Ultrasound),一般说话的频率范围是10Hz-8KHz。超声波方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,在水中传播距离远,超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。
超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。超声波在介质中传播的波形取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。
通常有如下三种:
如图1所示,实验采用第一种方案,利用嵌入式设备编程产生频率为40KHz的方波,经过发射驱动电路放大,使超声波传感器发射端震荡,发射超声波。超声波经发射物反射回来,由传感器接收端接收,再经过接收电路放大、整形。以嵌入式微核心的超声波测距系统通过嵌入式设备记录超声波发射的时间和反射波的时间。当收到超声波的反射波时,接收电路输出端产生一个跳变。通过定时器计数,计算时间差,就可以计算出相应的距离。
由于超声波也是一种声波,其声速 C 与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。
如图2所示,HC-SR04模块性能稳定,测度距离精确,能和国外的SRF05、SRF02等超声波测距模块相媲美。模块高精度,盲区(2cm)超近,最大识别距离为300cm。
(4)接线方式及工作原理
有信号返回,通过IO口ECHO输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340m/s))/2。
如图5 所示为超声测距模块的时序图,根据时序图,可以知道,回响信号的高电平就是我们用来测量距离的重要指标,通过距离与速度和时间的关系,从而求得相应的距离。
一个 10us 以上脉冲触发信号,该模块内部将发出 8次40KHz 周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号,回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号的时间间隔可以计算得到距离。建议测量周期为 60ms 以上,以防止发射信号对回响信号的影响。
图6 出了超声测距模块的发射端电路。
图7 超声测距发射端电路图
压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片会发生共振,并带动共振板振动产生超声波,这时它就是一个超声波发生器;反之,如果两电极问未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同,使用时应分清器件上的标志。
超声波传感器应用起来原理简单,也很方便,成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点,比如,反射问题,噪音,交叉问题。
如果被探测物体始终在合适的角度,那超声波传感器将会获得正确的角度。但是不幸的是,在实际使用中,很少被探测物体是能被正确的检测的。 其中可能会出现几种误差:
当被测物体与传感器成一定角度的时候,所探测的距离和实际距离有个三角误差。
这个问题和高中物理中所学的光的反射是一样的。在特定的角度下,发出的声波被光滑的物体镜面反射出去,因此无法产生回波,也就无法产生距离读数。这时超声波传感器会忽视这个物体的存在。
这种现象在探测墙角或者类似结构的物体时比较常见。声波经过多次反弹才被传感器接收到,因此实际的探测值并不是真实的距离值。
这些问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波圈来解决。通过探测多个超声波的返回值,用来筛选出正确的读数。
虽然多数超声波传感器的工作频率为40-45KHz,远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音。比如,电机在转动过程会产生一定的高频,轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音,机器人本身的抖动,甚至当有多个机器人的时候,其它机器人超声波传感器发出的声波,这些都会引起传感器接收到错误的信号。
这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决,比如发射一组长短不同的音波,只有当探测头检测到相同组合的音波的时候,才进行距离计算。这样可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读。
解决的方法可以通过对每个传感器发出的信号进行编码。让每个超声波传感器只听自己的声音。
图 13
{
ClearRect(2);
//模仿倒车,当距离小于20cm时发出警告,并显示当前距离值
利用声速、传播时间、传播距离的关系,模仿实验条件,简单的测出实验环境下的声速的大概值。
例如在NXP实验节点板定时器输入频率为f=12MHz,进行N=8分频后每个计数周期为 ,假设超声波声速为c,则由 ,可知 。
本实验模仿自动门的功能。初始时,门关闭。当有人到达门前,原有的距离被改变,当人与测距器的距离达到临界值时(例如距离小于50cm),打开自动门。否则,认为没有人员的到来,关闭自动门。
4. 影响超声测距模块精确度的因素有哪些呢?
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