高精度超聲波測距系統(tǒng) 中文翻譯

1、高精度超聲波測距系統(tǒng)摘要：超聲波傳播距離遠(yuǎn)，并具有良好的反射特性。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52RC單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)的有效測量范圍為372厘米。經(jīng)過反復(fù)測試，測量誤差小于1厘米。所以此系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于汽車智能防撞、車輛導(dǎo)航等其他系統(tǒng)中。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；超聲波；發(fā)送；接收；測距；溫度補(bǔ)償一、引言目前，超聲波測距的主要方法包括脈沖回波法，相位調(diào)制，頻率調(diào)制和基于FFT的方法。其中，脈沖回波法適應(yīng)性好，可以進(jìn)行人工測試，也可以與自動化系統(tǒng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)自動測量。因而，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)今，微波測距和激光測距的理論已經(jīng)應(yīng)用到超聲波測距系統(tǒng)中，并得到很好的研究。另一方面，越來越

2、多的專家和學(xué)者致力于濾除回波中雜波和分析回波的研究中。隨著人們對超聲波理論的深入理解，提高測量精度和抗干擾能力稱為超聲波測距最重要的性能指標(biāo)。本文使用脈沖回波理論來設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)。下文主要分為三部分：第一部分介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)；第二部分介紹了系統(tǒng)的軟件編程過程；第三部分介紹了數(shù)據(jù)處理的方法。由此，使讀者全面了解此系統(tǒng)。二、超聲波測距系統(tǒng)的原理根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的要求，選擇頻率為40KHz的超聲波。超聲波傳感器是一種可以將電能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的電能的器件，也被稱為超聲波換能器或超聲波探頭。在一定頻率范圍內(nèi)，超聲波傳感器可以將電信號轉(zhuǎn)換成外部超聲波信號，也可以將外部超聲波信

3、號轉(zhuǎn)換為的電信號。在本文中，選擇T/R40-12壓電式超聲波傳感器，其工作頻率為40KHz，外部直徑是12cm。當(dāng)超聲波發(fā)送器發(fā)射超聲波信號時(shí)，超聲波遇到障礙物發(fā)生反射，超聲波接收器可以接收到該回波信號。從超聲波發(fā)射開始計(jì)時(shí)，到接收到回波信號后停止計(jì)時(shí)，就可以計(jì)算出從超聲波發(fā)送器到被測物體之間的距離。從超聲波發(fā)送器到被測物體之間的距離計(jì)算距公式是：D = S/2 = V ×T /2 (1) D是測距裝置與被測物體之間的距離。S是超聲波傳播的距離。V是超聲波在空氣中的傳播速度。T是超聲波傳播的時(shí)間。超聲波也是一種聲波，因而其傳播速度易受溫度的影響。因此，本文通過用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖岣叱?/p>

4、聲波測距系統(tǒng)的精度。三、系統(tǒng)的硬件超聲波測距系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。系統(tǒng)的硬件主要包括單片機(jī)系統(tǒng)，顯示電路，溫度補(bǔ)償電路和超聲波發(fā)送和接收電路。圖1 系統(tǒng)硬件框圖A.超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)送電路圖如圖2所示。發(fā)送電路主要由反相器和超聲波換能器組成。先將單片機(jī)的P1.0引腳與一反相器相連，再連接到超聲波傳感器的一極；然后將P1.0引腳與兩個(gè)反相器串聯(lián)，再連接到超聲波傳感器的另一極。通過這種推挽式的連接方法，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。反相器并聯(lián)，可以增加輸出超聲波的驅(qū)動能力。上拉電阻R1和R2不僅可以增大驅(qū)動換能器的驅(qū)動電壓，還可以增加超聲波傳感器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。圖2 超聲波發(fā)送

5、電路B.超聲波接收電路超聲波接收電路圖如圖3所示。ASIC CX20106用于檢測紅外線。CX20106的頻率是38KHz，非常接近所需超聲波的頻率。所以可以用CX20106來設(shè)計(jì)超聲波接收電路。圖3 超聲波接收電路C. 單片機(jī)系統(tǒng)和顯示電路以STC89C52RC單片機(jī)為中心的測距系統(tǒng)，使用12MHz的晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)，可獲得穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率并減少測量誤差。單片機(jī)的P1.0端口輸出觸發(fā)超聲波傳感器的40 KHz的方波。外部中斷0用來監(jiān)測信號是否返回。顯示電路由4位共陽LED組成。用74LS245來實(shí)現(xiàn)4位數(shù)碼管的段選，由三極管9012來實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的位選。顯示電路電路圖如圖4所示。圖4 顯示電路D.

6、溫度補(bǔ)償?shù)碾娐吩诔暡y距系統(tǒng)中,影響測量精度的因素很多,包括現(xiàn)場環(huán)境干擾、時(shí)基脈沖頻率等,但環(huán)境溫度對聲速的影響最大。從超聲波聲速的經(jīng)驗(yàn)公式（2）可以看出,在040聲速變化范圍為331.4m/s354.85m/s。以超聲波在20的室溫條件下的聲速值343.32 m/s為基準(zhǔn),其變化率為6.83%。所以溫度的影響不能忽略不計(jì)。而且在外界條件下,比如在夏天的室外,溫度往往不止40,所以在超聲波測距系統(tǒng)中,有必要對溫度進(jìn)行測量和補(bǔ)償,以減少溫度對測量精度的影響。目前大多數(shù)溫度測控系統(tǒng)在進(jìn)行溫度檢測時(shí)都是用溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)化為電量后,經(jīng)信號放大電路放大到適當(dāng)?shù)姆秶?再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量來完

7、成的。這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,精度易受元器件參數(shù)的影響。為此,利用1-Wire數(shù)字溫度傳感器DS18B20和MC-51系列單片機(jī)為主體,構(gòu)成了一個(gè)高精度的數(shù)字溫度測量系統(tǒng)。可以提高測量系統(tǒng)的精度。DS18B20的DQ引腳直接連接到單片機(jī)的P3.7引腳。電路設(shè)計(jì)如圖5所示。圖5 溫度補(bǔ)償電路DS18B20是美國最新推出的數(shù)字式溫度傳感器,與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同,它能夠直接讀出被測的溫度值,并且可根據(jù)實(shí)際要求,通過簡單的編程,實(shí)現(xiàn)9或10位的A/D轉(zhuǎn)換。因而,使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單,同時(shí)可靠性更高。測得溫度,用以下公式校正聲速：V (T) = (331.05+0.607T) (m

8、/s) (2)上式中，T為環(huán)境攝氏溫度（）四、系統(tǒng)編程超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序，超聲波發(fā)送子程序，超聲波接收子程序，溫度補(bǔ)償子程序和顯示子程序。一方面，匯編語言效率高、時(shí)間短、操作方便；另一方面，在測距編程中，計(jì)算復(fù)雜，需要較精確的結(jié)果。所以選擇匯編語言來設(shè)計(jì)此系統(tǒng)。A.主程序首先進(jìn)行主程序初始化，設(shè)置定時(shí)器T0為16位工作方式，其次設(shè)置中斷使能位EA，然后初始化端口P0和P2，用于控制顯示電路。溫度補(bǔ)償子程序用DS18B20所測得溫度值修正超聲波的傳播速度。同時(shí)，調(diào)用超聲波發(fā)送子程序。為了避免從發(fā)射器到接收器的直波傳輸，需要延遲約0.1毫秒（所以有測量盲區(qū)），使外部中斷0接收到

9、返回信號。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)，定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1s的精度，當(dāng)主程序檢測到接收回波成功標(biāo)志位時(shí)，根據(jù)定時(shí)器T0值計(jì)算出與被測物之間的距離，多次測量，并將結(jié)果在LED上顯示出來。主程序的流程圖如圖6所示。圖6 主程序流程圖B.發(fā)送子程序和接收子程序發(fā)送子程序通過端口P1.0發(fā)送2個(gè)超聲波脈沖（約40kHz的方波），脈沖寬度約為12s。同時(shí)，定時(shí)器T0開始計(jì)時(shí)。本系統(tǒng)利用外部中斷0來檢測回波信號。當(dāng)檢測到回波信號時(shí)（INT0引腳為低水平時(shí)），進(jìn)入中斷程序，定時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，成功標(biāo)志位置1。當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)，仍未檢測到回波信號，定時(shí)器T0溢出中斷并關(guān)閉外部中斷0，同時(shí)清除成功標(biāo)志位。則

10、未能成功實(shí)現(xiàn)測量。C.溫度補(bǔ)償子程序和顯示子程序根據(jù)所測的實(shí)時(shí)溫度，代入式（2）計(jì)算出超聲波的傳播速度。 在顯示程序中，通過查找表的方式顯示測量距離。五、數(shù)據(jù)處理電路處理信號時(shí)過程會產(chǎn)生一個(gè)固定的延遲t，單片機(jī)響應(yīng)也會產(chǎn)生一個(gè)固定的延遲t。以上所產(chǎn)生的延時(shí)皆會導(dǎo)致一定的測量誤差，通過修正延遲時(shí)間可以減少測距誤差。假設(shè)，S1和S2表示距離，為固定值。 t1和t2與S1和S2分別相關(guān)（包含t因子）。因此，S1和S2，分別對應(yīng)于時(shí)間函數(shù)t1-t和t2-t的關(guān)系式。S1= 0.5V（t1-t），S2= 0.5V（t2-t），t可由這兩個(gè)關(guān)系式計(jì)算得：距離，通過以上的處理數(shù)據(jù)可減少系統(tǒng)誤差。 （3） 經(jīng)

11、過多次測量，可以計(jì)算出系統(tǒng)的延遲t。根據(jù)式（1），可確定所測量的六、實(shí)際測試及分析測量數(shù)據(jù)如表7所示。表7 實(shí)際測量數(shù)據(jù)（單位：厘米） 實(shí)際距離 5 10 15 20 25 30 35 顯示距離 25 25 25 25 26 31 35 實(shí)際距離 350 355 360 365 372 380 385 顯示距離 351 356 361 366 374 25 25實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：超聲波測距系統(tǒng)的盲區(qū)（超聲波傳感器可以檢測到的最小距離）為25cm，可檢測到的最大距離是372cm。在設(shè)計(jì)程序時(shí)，為了避免從超聲波發(fā)射器到超聲波接收器的直波傳輸，系統(tǒng)延時(shí)了約1.4ms，所以超聲波測距系統(tǒng)擁有最小測量距離。

12、超聲波傳播時(shí)會產(chǎn)生一定程度的衰減、超聲波的發(fā)射功率有限，所以很難檢測遠(yuǎn)距離傳輸?shù)幕夭ㄐ盘?。所以系統(tǒng)有最大可測量距離。另一方面，溫度補(bǔ)償可以提高測量的精度。七、結(jié)論此設(shè)計(jì)中，主要利用超聲波的反射特性來設(shè)計(jì)基于STC89C52RC單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)。超聲波測距系統(tǒng)通過非接觸檢測方式實(shí)現(xiàn)測距，其有效測量范圍為25cm372cm。當(dāng)測量環(huán)境的溫度變化時(shí)，溫度補(bǔ)償電路可以提高的測距系統(tǒng)的精度。修改系統(tǒng)延時(shí)后，可以減小系統(tǒng)延時(shí)帶來的測量誤差，并顯著改善系統(tǒng)的測量精度。通過硬件和軟件設(shè)計(jì)驗(yàn)證了超聲波測距系統(tǒng)的合理性和可行性。這種測距系統(tǒng)的測量結(jié)果可靠、穩(wěn)定，可滿足精度要求高的場合，如液位的測量，機(jī)器人定

13、位等。致謝首先，感謝IEEE給我這次機(jī)會，其次，我要感謝我的老師郭先生，最后也是最重要的，衷心感謝給我提供技術(shù)支持的同事們。參考文獻(xiàn)1 WANG AI ZH. Design and reality of ultrasonic ranging system base on the microcontrollerJ. Journal of Xinzhou Teachers University, 2010,26(2): 44-46.2 KANG Y P, LIU ZH Y, GUO X, et al. Design of high-precision ultrasonic wave ranging systemJ. Experimental Technology and Management, 2010, 27(3): 61-64.3 WANG ZH J, SU X Y, HAN Y P. Ultrasonic distance measurement system with high precision