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1、 超声波测距摘要：本演示处理了测量距离的超声波传感器在当前环境中的准确性。作为一个测量传感器的选择SFR08型配备了允许寻址的IC通信接口。这一事实使得创建传感器阵列变得简单。控制和可视化系统是基于PC。NI USB 8451是作为通信卡使用的。验证测量的目标是确定实际的传感器精度，特别是当测量较长的距离。当评估传感器的精度时，不包括在所测量的数据的温度补偿。关键词：超声波传感器，IC通信接口，虚拟仪器1 简介超声波传感器通常用于自动化的任务来测量距离，位置变化，电平测量，如存在检测器或在特殊应用中，例如，当测量透明材料的纯度。它们是基于测量超声波的传播时间的原则。这一原则确保可靠的检测是独立
2、的颜色渲染的对象或其表面的设计和类型。它可以可靠地检测甚至液体，散装材料，透明物体，玻璃等材料。他们使用的另一个参数是他们在侵略性的环境中使用，不是非常敏感的污垢和测量距离的可能性。超声波传感器在许多机械设计中被制造。对于实验室用途，用于发射器和接收器单独或在一个单一的简单的住房，对于工业用途，往往建造坚固的金属外壳。有些类型允许您使用电位计或数字来调整灵敏度。此外，输出可以在统一的版本中或直接以数字形式的模拟信号直接中。就传感器来说，可以通过通信接口连接到PC，它是可以设置所有传感器的工作范围和测量距离的详细参数。2 超声测量超声对环境中的声音具有相似的传播特性。这是机械振动的粒子环境。超声
3、波可以在气体、液体和固体中传播。对于超声波通常被认为是一个频率高于20千赫的声音。根据超声波的用途可以分为两类：主动超声：当应用表现出物理或化学效应。生成的输出达到更高的值。超声波用于清洁，焊接，钻孔等。被动超声；输出是在低得多（通常是小）值产生的对比度。他的主要应用领域是测量距离，检测材料的缺陷和材料的厚度，测量液体和气体的流量，以及医疗保健的诊断。声音的速度取决于它移动的环境类型和环境的当前温度。某些材料的声速显示在表1中。表1 材料中声传播的速度气体（m/s）固体（m/s）液体（m/s）空气（0）331铝5100水（20）1481空气（20）343钢5000水（25）1497氦气（25）
4、965混凝土1700汽油（20）1170氢气（25）1284铜3500水银（25）14502.1超声波传感器超声波传感器的工作原理是测量通常一些很短的脉冲发送和接收的发送信号的反射之间的时间差。基本的构建块是发射器和接收器。发射器块可以由两种类型的换能器组成；磁致伸缩换能器-工作在低频率，其原理是基于磁性材料长度的力学变化。压电换能器-工作在高频率，其原理是基于逆压电效应。超声波接收器是根据机械波的反射原理反射回电信号。图1 超声波传感器的方框图2.2 超声波传感器SRF08超声波传感器srf08有时也称为声纳。它是超声波障碍探测器。它能够测量的距离高达11米。传感器的测量的原则是超声波信号的
5、第八个周期和40千赫频率。声纳测量发送测试信号和接收其反射之间的时间。测量值（个别反射）存储多达16个可以从主系统读取数据的寄存器。根据这个原则，它遵循的一个最大的优点是，这种传感器-测量对象的可能性只能处在理想的距离。该传感器通过IC总线进行通信。这一事实允许您从传感器寻址，还可以创建传感器阵列。除了改变设置在生产中的基本地址，传感器能够从单位和测量环境光的输出变量中选择。声纳也适用于神经网络。2.3 传感器SRF08的基本特征电源电压：5伏直流电流消耗：12毫安-测量，3毫安-延迟频率：40千赫测量范围：43毫米- 11000毫米通信总线：IC基地址：0xE0（可调16个地址）测光模式：多
6、回波，记录多达17个早期反射单位：英寸、厘米、微秒尺寸：43x20x17毫米图2 传感器SRF08传感器SRF08寄存器列表如下。第一个为只写寄存器（0-2），其他的可用于读写。SRF08共有36个寄存器。表2 SRF08寄存器地址读写0修订版SW命令注册表1灯光增益21.回波MSB范围31.回波LSB3417.回波MSB3517.回波LSB2.4 寻址传感器和测量测量过程首先在指令寄存器中写入80到82。根据适当的单元的测量值的内容（英寸，厘米，微秒）。在人工神经网络（ANN）的情况下，指定一个83至85之间的和测量模式相同的给定的格式单位命令是有必要的。传感器地址的变化可以通过将值从160
7、到170写入下表中的命令寄存器来完成。表3 测量和寻址SRF08指令描述十进制十六进制8050测量值（英寸）8151测量值（厘米）8252测量值（微米）8353测量值（英寸）8454测量值（厘米）8555测量值（微米）160A0地址1.字节165A5地址2.字节170AA地址3.字节在开始时，每个测量寄存器启动复位，从十进制值255（0xFF）开始读数。推荐的延迟时间是65毫秒。第一个完成测量后捕获的回波声纳位于地址2（MSB）和地址3（LSB），第二个回波在地址4、地址5，依此类推。每一个测量也使位于地址1的光传感器更新，记录更多反射的优点是能够在测量距离内检测到多个对象。综上所述，阅读测量
8、值可能在65毫秒后，或通过读取寄存器的内容。如果读取值255，那么它便是一个有效的测量结果。当你需要改变测量范围可以通过改变登记在地址0x2的值。值0x0表示43毫米的距离，值0xFF代表11米的距离.依靠寄存器值和范围包含以下公式：范围=【（记录2）*43】+43 （毫米）（1）基本传感器的地址是0xE0。它可以更改为其他16个地址之一 (0xE0, 0xE2, 0xE4, 0xE6, 0xE8, 0xEA, 0xEC, 0xEE, 0xF0, 0xF2, 0xF4, 0xF6, 0xF8, 0xFA, 0xFC, 0xFE)。该地址可以在具有多个传感器的IC总线通信的应用案例。另一种可能性
9、是地址0x00。使用此地址，您可以将数据写入总线上所有连接的传感器。改变总线IC地址必须连接到一个传感器。换一个地址必须进入连续三个命令序列（0xA0，0xAA，0xA5）需要改变他们的顺序。作为第四命令，然后注册一个新的传感器地址。这个顺序必须写的地址0x00。 对于新地址不知道的传感器来说，推断LED的闪烁的数目时可能的，所以在LED发出一个长光之后，伴随着连续的短闪烁。十进制形式产生的地址可以通过以下公式计算：地址=2*闪烁次数+224（十进制）（2）3 与传感器的通信带传感器的整个通信系统由一台PC机和通用通信卡NI USB-8451，它提供了两个接口SPI和IC。与传感器通讯已选定的
10、I2C接口。IC是一个双线串行总线。SDA信号是用于数据传输，SCL信号用于同步传输。连接到总线的每个设备都有一个7或10位的设置在工厂的唯一地址。它用于选择设备。每个设备必须有不同的地址。在总线上可以连接设备作为主、从，另外设备也可以作为主从。总线是一个多主的，这意味着，总线可以连接到一个以上的主人。总线还具有用于在多个设备同时传输时检测冲突的能力。【2】数据SDA和SCL时钟信号是双向的数据线。信号被固定到逻辑高电平通过上拉电阻接正电源电压。连接到I2C总线上所有设备的输出必须是集电极开路型，这样就可以实现与逻辑功能。【2】总线上的通信速度可能是不同的，以便连接到总线也较慢的设备。其中一个
11、限制也适用-更高的传输速率-总线的最大长度越短。这种局限性是由于在高的线的长度在寄生电容导体SDA和SCL的增加。【2】默认情况下，通信总线速度为100千位/秒（标准模式），在其他模式的通信速度高：快速模式- 400千位/秒，快速模式加1兆位/秒，高速模式3,4兆位/秒，美国最高波特率（快速模式）是5兆位/秒。由于各种设备运行在不同的电压水平对IC总线的连接是不固定的电平逻辑0（低）和逻辑1（高）。他们的值来源于电源电压的百分比：低电平电压=0.3电源电压，高电平电压=0.7电源电压。3.1 通讯协议开始每个IC总线通信起始于起始位、终止于停止位。通信的开始，信号SDA由高电平变为低电平，SC
12、L信号处于高电平。通信结束时，信号SCL在高电平时，信号SDA的逻辑电平从低变为高电平。图3 通信中的起始和停止位启动和停止通信条件总是生成主站。当启动通信时该总线被认为是繁忙的，相反，当停止通信时，总线被认为是空闲的的，在产生重启条件而不是停止条件的情况下，总线保持忙。 在这方面，启动和重启被认为是相同的。检测启动和停止条件非常简单，如果一个设备连接到总线，有相应的硬件。然而，没有这个设备的微控制器必须至少每周期时钟信号检查总线的状态2次。【2】开始每个I2C总线通信由起始位开始，由停止位结束。 通信的开始通过将信号SDA的逻辑电平H改变为L电平来定义，而SCL信号处于逻辑电平H。结束通信被
13、定义为当信号SCL是逻辑电平H时逻辑电平L到电平H信号SDA的改变。 也在逻辑电平H.【2】图4 通过CAN总线传输的字节3.2 NI USB-8451 卡NI USB 8451卡是高速（12Mb / s）USB 2.0卡。 该卡可连接到IC和SPI总线，还包括通用DI / O端口。 该卡支持IC总线的通信速度为32kHz至250kHz，SPI总线的通信速度为48kHz至12MHz。 【1】图5 NI USB-8451卡NI USB-8451的基本参数：电源：USB（4.1 伏至5.25 伏 直流，最大500 毫安）针脚数：32连接端口：端子尺寸：8.18厘米x 8.51厘米x 2.31厘米（
14、包括端子）表4 NI USB-8451连接信号类型描述SPI CS输出片选SPI MOSI（SDO）输出主输出从输入用于与从站通信SPI MISO（SDI）输出主输入从输出用于与从站通信SPI CLK输出CLK信号IC SDA集电极开路输出IC总线上的数据IC SCL集电极开路输出IC总线上的CLKPI/O通用I / O+5V输出电源电压 - USBGND信号地NC未连接3.3通信方案超声波传感器通过I2C总线连接。 有2个上拉电阻连接到电源电压。 它们用于在总线的空闲状态下调整H逻辑电平。 此外，在板上还连接有两个电容器C，其在测量期间在传感器的较高电流消耗下稳定电源电压。图6 传感器和NI
15、 USB-8451卡连接4 传感器测量应用图7 流程图该应用程序是在LabVIEW图形编程环境中开发的。 为用户创建了一个图形界面，允许您指定测量，读取结果并根据需要进行调整。该应用具有初始化部分，其中进行卡选择和设置用于通信的电压电平。 另一部分由环路形成，其执行与传感器的重复通信。 在开始测量和读取数据之间必须加载等待传感器完成测量。 此等待时间设置为100毫秒（最小65毫秒）。 下面的流程图说明了测量算法。5 验证申请为了确定传感器的测量精度，对不同距离进行实际测量直到750cm的最大距离。 此外，它也已经验证了方向传感器的特性。5.1距离测量精度的验证第一个实现了验证精度距离测量，它被
16、分为3部分。 在第一部分中，距离可达300厘米，随后距离可达600厘米，最后距离可达750厘米。5.2测量方法传感器在垂直位置放置在支架上，使得它面向天花板。 选择这样的位置是因为来自空间中的其他对象的可能反射以及更容易识别测量对象。通过超声波传感器在实验室进行3m距离测量。 测量程序包括使用可调节高度的三脚架逐渐增加传感器和天花板之间的距离。 总是使用tape-measure检查传感器测量的距离以确定参考距离。 根据EG（通告MPO no.339 / 2000Sb），参考仪表的精度在II级。 精度由下式给出：测量误差=（0.3+0.2标距长度） （毫米） （3）下表显示每个测量距离的最大误差
17、计：表5 使用磁带测量的测量误差根据EG II的误差极限（毫米）1米2米3米5米8米10米0.50.70.91.31.92.3在结果表中，将测量值作为自己的仪表长度（测量带）和超声波传感器进行评估，最终测量总误差。 在列中的传感器精度tp也包括精密仪器，这是由超声波传感器验证。表6 高达3m的测量lM（厘米）lS（厘米）S（厘米）M（毫米）S CLK（厘米）tp（%）1137136.5-0.50.70.570.5（0.46）2156155-10.71.073174173-10.71.074210.2210-0.20.90.295240.3239-1.30.91.396284.5284-0.50
18、.90.59其中：lM由磁带计测量的距离 lS传感器测量的距离 S传感器错误 磁带计错误 SCLK总误差（包括误码仪） tp传感器精度等级总误差超声传感器被计算为相对于3m范围的最大偏差：CLK总误差=【最大（丨传感器错误丨+丨磁带计错误丨）】/300 *100（%） （4）5.3 测量结果高达6m在6m范围内的距离测量的程序类似于前面的情况进行。 由于相应的房间被选为具有所需参数教室天花板高度的教室（见表7）。由于最后一次测量是在6m范围内进行的。 该测量在FEI，VSB-TU Ostrava的入口大厅进行。 还有天花板所需的参数（见表8）。在这两种情况下的计算类传感器精度与确定基本传感器测
19、量范围距离直到3m的精度等级的情况相同。表7 高达6m的测量lM（厘米）lS（厘米）S（厘米）M（毫米）S CLK（厘米）tp（%）1396395-1.001.31.330.7（0.62）2422.84252.201.32.333452.44552.601.32.734487.5485-2.501.32.635517.5515-2.501.92.696546.3545-1.301.91.497578.5575-3.501.93.698607.5605-2.501.92.6996356350.001.90.19表8 超过6m的测量lM（厘米）lS（厘米）S（厘米）M（毫米）S CLK（厘米）tp
20、（%）17337303.01.93.190.4*（0.38）*范围设置XR = 8m6 方向特性根据制造商的数据表，超声波传感器传感器使光束角度为55。 下图显示了传感器在极坐标中的辐射方向图。 为了测试这个特性只取一点。 由于本实验的简单实现，选择测量距离150厘米。图8 定向特性SRF08在传感器上方放置沿着其移动板（2439cm）的路径。 将板在平面中的四个方向上移动，直到被传感器捕获。 随后，从传感器板上方的已知距离位置和所测量的三角形的斜边的长度计算角度。 在两个轴（在四个侧面的平面中）上进行测量。图9 定向特性验证确认光束角度与制造商非常一致。 测量值如下表所示：表9 光束角度测量
21、方向lS（厘米）lM（厘米）L（厘米）S（）M（）左15014913227.628.4右15014913227.628.4前149147130.527.429.9后149147130.527.429.9S CLK（）-55.0=58.3其中：lM由磁带计测量的距离 lS传感器测量的距离 l高度板 S传感器数据的角度 M磁带表的角度 S CLK整体角度7 结论我们可以从实际测量5看到，超声波传感器以高精度测量距离。 在测量距离高达3m时精度等级为0.5，如果测量距离高达6m，精度等级为0.7，如果测量距离超过6米，精度等级甚至为0.4。传感器的精度在所有情况下都与测量范围（包括磁带计的精度）有关
22、。传感器制造商在其数据表中指出最大测量误差3-4厘米。该准确性用储备金确认。当验证方向特性时，大致以相同的角度检测物体，如由制造商确定的。所有测量大致在相同条件（温度T = 23）下实现。参考文献1 NATIONAL INSTRUMENTS NI-845x (2005) Software User Manual:. I2C / SPI online Available from: 2 NXP Semiconductors. I2C-bus specification and user manual Available from: Pdf3 DEVANTECH Ltd (Robot Electr
23、onics) .RRF08 Ultra sonic range finder. Available from: http:/www.cs.york.ac.uk/micromouse/Docs/SRF08Ultra SonicRanger.pdf4 ROBOT STORE (HK). SRF08 - Ultrasonic range finger- datasheet. Available from: 5 VALA, D., SLANINA, Z., WALENDZIUK, W. Mining Shaft Inspection by Laser Photogrammetry. Elektroni
24、ka Ir Elektrotechnika, Vol. 22, Issue 1, 2016. ISSN 1392-1215.Available online at ScienceDirectIFAC-PapersOnLine 49-25 (2016) 153158Distance Measuring by Ultrasonic SensorL. Koval*. J. Vau*. P. Bilk* *VB-TU Ostrava, FEI, Ostrava-PorubaCZ (Tel: +420-59732-5958; e-mail: ludvik.koval vsb.cz) *VB-TU Ost
25、rava, FEI, Ostrava-PorubaCZ (Tel: +420-59732-5856; e-mail: jan.vanus vsb.cz)*VB-TU Ostrava, FEI, Ostrava-PorubaCZ (Tel: +420-59732-5955; e-mail: petr.bilik vsb.cz).Abstract: This presentation deals with the verification of the accuracy of measurement distance ultrasonic sensor in the current environ
26、ment. As a measuring sensor was chosen SFR08 type equipped by an I2C communication interface which allows addressing. This fact makes it simple to create the sensor array. Control and also visualization system was PC based. As communication card was used NI USB 8451. The goal of verification measure
27、ments was to determine the actual sensor accuracy especially when measuring longer distances. When evaluating the accuracy of the sensor was not included in temperature compensation of the measured data. 2016, IFAC (International Federation of Automatic Control) Hosting by Elsevier Ltd. All rights r
28、eserved.Keywords: Ultrasonic sensors, I2C communication interface, virtual instrument1. INTRODUCTIONUltrasonic sensors are often used in automation tasks to measure distance, position changes, level measurement, such as presence detectors or in special applications, for example, when measuring the p
29、urity of transparent material. They are based on the principle of measuring the propagation time of ultrasonic waves. This principle ensures reliable detection is independent of the color rendering of the object or to the design and the type of its surface. It is possible to reliably detect even suc
30、h materials as liquids, bulk materials, transparent objects, glass etc. Another argument for their use is them using in aggressive environments, not very great sensitivity to dirt and also the possibility of measuring a distance. Ultrasonic sensors are manufactured in many mechanical designs. For la
31、boratory use, the simple housing used for transmitter and receiver separately or in a single housing, for industrial use are often constructed robust metal housing. Some types allow you to adjust the sensitivity using a potentiometer or digitally. Also, the output may be in the unified version or th
32、e analog signal directly in digital form. In the case of sensors that can be connected via the communication interface to the PC, it is possible to set detailed parameters of all the sensors operating range and measured distances.2. ULTRASONIC MEASUREMANTSUltrasound has similar propagation character
33、istics in the environment as audible sound. This is mechanical vibration particle environment. Ultrasound propagation may be in gaseous, liquid and solids. For ultrasound is generally regarded as a sound of a frequency higher than 20 kHz.According to the use the ultrasound can be divided into two gr
34、oups:Active ultrasound, when applied exhibits physical or chemical effects. The generated output reaches higher values. The ultrasound is used for cleaning, welding, drilling and the like.Passive ultrasound output is contrast generated at much lower (usually small) values. His main area of applicati
35、on is then measuring distance, detecting defects in materials and thickness of the materials, measuring the flow of liquids and gases and also diagnostics in healthcare.Speed of sound is dependent on the type of environment in which it moves, and the current temperature of the environment. Velocity
36、of sound in some materials is showed in Table 1.Table 1. The speed of sound propagation in materialsGasesSolidsLiquids(m/s)(m/s)(m/s)Air (0C)331Al5100Water1481(20C)Air (20)343Steel5000Water1497(25C)He965Concrete1700Gasoline1170(25C)(20C)H (25C)1284Cu3500Hg1450(25C)He HeliumCu CuprumH HydrogenHg - Qu
37、icksilverAl Aluminium2405-8963 2016, IFAC (International Federation of Automatic Control) Hosting by Elsevier Ltd. All rights reserved. Peer review under responsibility of International Federation of Automatic Control.10.1016/j.ifacol.2016.12.026154L. Koval et al. / IFAC-PapersOnLine 49-25 (2016) 15
38、31582.1 Ultrasonic sensorsUltrasonic sensors operate on the principle of measuring the time between sending usually a few very short pulses and receiving the reflection of the transmitted signal. The basic building blocks are the transmitter and receiver. Transmitter block may be composed of two typ
39、es of transducer:Magnetostrictive transducers - are working at low frequencies and their principle is based on a mechanical change in the length of magnetic material.Piezoelectric transducers - operate at high frequencies and the principle is based on the inverse piezoelectric effect. Ultrasonic rec
40、eiver is based on the principle of the transfer of mechanical waves reflected back to an electrical signal.Fig. 1. Block diagram of the ultrasonic sensor2.2 Ultrasonic sensor SRF08Ultrasonic sensor SRF08 is sometimes also called as sonar. It is an ultrasonic obstacle detector. It is able to measure
41、the distance up to 11 m. The principle of measurement of the sensor is the ultrasonic signal on the eighth periods and a frequency of 40 kHz. Sonar measures the time between sending the test signal and the receiving of its reflection. Measured values (individual reflections) are stored up to 16 regi
42、sters from which data can then be read master system. From this principle it follows one of the biggest advantages of this sensor - possibility of measuring objects only at desired distances. The sensor communicates via I2C bus. This fact allows you addressing of the sensor and also create sensor ar
43、rays. In addition to changing the base address, which is set in production, the sensor enables the selection of units and output variables measuring ambient light. Sonar is also suitable for use in neural networks.2.3 Basic features of the sensor SRF08Power supply voltage: 5 V DCCurrent consumption: 12 mA measuring, 3 mA - waitingFrequency: 40 kHzMeasuring range: 43mm - 11000 mmCommunication bus: I2CBase address: 0xE0 (adjustable 16 addresses)Metering Mode: multiple echo, recording up to 17 early reflectionsUnit: inch, cm, microsecondDimensions: 43x20x17 mmFig. 2. Sensor SRF08The li