智能超聲波測距儀的研制

1、您的論文得到兩院院士關注文章編號：（）單片機開發(fā)與應用智能超聲波測距儀的研制（西南科技大學）劉成安孫濤摘要：為了滿足智能化、無接觸距離測量要求，自主研制了一種性價比高、體積小的智能超聲波測距儀，該測距儀以單片機為控制核心，本文給出其具體實現(xiàn)方案。對該系統(tǒng)進行的實驗，驗證了本文提出的方法的正確性和有效性，并能夠達到較高的測量精度。關鍵詞：；超聲波；距離測量中圖分類號：文獻標識碼：，：，引言液位測量廣泛應用于石油化學工業(yè)中，實現(xiàn)非接觸、智能化測量是液位計的發(fā)展方向。傳統(tǒng)的液位測量方法主要有以下幾種：浮子測量法、人工檢尺法、玻璃液位計以及電容式液位計等，它們的特點都是與被測物接觸。本文設計一種超聲波

2、測距儀，其最大特點是測量液面與感應元件非接觸。超聲波是指頻率大于，并且能在連續(xù)介質(zhì)中傳播的彈性機械波，超聲波方向性好，經(jīng)過專門設計可定向發(fā)射，遇到界面時將發(fā)生反射、折射以及波形的改變，超聲波在空氣中的傳播速度為（常溫下）。利用超聲波在介質(zhì)中傳播時，這些好的物理特性進行設計，使得超聲波在測距中的靈活性、精確度大幅提高。本文所設計的智能化超聲波測距儀，由超聲波傳感器（俗稱探頭）、控制器（單片機）、顯示器、鍵盤以及外接運算放大電器等輔助電路構成。整體方案為當按下測量鍵，探頭就發(fā)送超聲波，當超聲波遇到障礙物時將產(chǎn)生回波信號；系統(tǒng)將探頭接收到的回波信號放大送入控制器，計算出所測距離并將其液晶屏上顯示出來

3、。技術氏度）有如下關系（）創(chuàng)在常溫下，溫度每變化攝氏度，超聲波速度變化。所以通過測溫電路測量出當前溫度，就可以計算出超聲波在當新前溫度下的傳輸速度。通常聲速隨溫度的變化比較大，因此產(chǎn)生的測量誤差也比較大，所以若是在環(huán)境溫度變化較大的環(huán)境計數(shù)的方法間接測量，也就是將時間轉(zhuǎn)化為對計數(shù)脈沖個數(shù)的測量，假定計數(shù)脈沖的頻率為，則公式（）可寫成下進行測量時，需要考慮聲速補償?shù)膯栴}。時間可以通過脈沖（）系統(tǒng)硬件設計超聲波測距儀的結構框圖如圖所示，主要由顯示電路，鍵盤電路，測溫電路、主控制器及輔助電路、超聲波諧波載波調(diào)理電路、超聲波回波接收處理電路以及超聲波發(fā)送（接收）器組成，發(fā)射、接收器選用?？刂破鞑捎脝纹?/p>

4、機，外接晶振。超聲波測距基本原理聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當聲波受到尺寸大于其波長的目標物體阻擋時就會發(fā)生反射；反射波稱為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達目標，而返回聲源的時間可以測量得到，那么就可以計算出從聲波到目標的距離。這就是本系統(tǒng)的測量原理，即：圖超聲波測距儀的結構框圖顯示器采用生產(chǎn)的（諾基亞液晶），這是一款只有根數(shù)據(jù)線的，液晶點陣為點，單片機通過口與進行數(shù)據(jù)傳輸。測溫電路采用二極管作為測溫元件，其工作原理為：晶體二極管或三極管的結的結電壓是隨溫度而變化的。例如硅管的結的結電壓在溫度每升高時，下降，利用這種特性，一般可以直接采用二極管（如玻璃封裝的開關

5、二極管劉成安：副教授基金項目：國家計劃項目（）技術應用例（）上式中，為待測距離，（）為超聲波在空氣中的速度，為往返時間。由于超聲波在空氣中的傳播速度與溫度（單位：攝）或采用硅三極管（可將集電極和基極短接）接成二極管來做結溫度傳感器。這種傳感器有較好的線性特性，熱時間常：元年單片機開發(fā)與應用中文核心期刊微計算機信息（嵌入式與）年第卷第期時間。另一個波束為有效信號，即經(jīng)過被測物表面反射的回波信號。超聲波測距時，需要測的是開始發(fā)射到接收到信號的時間差，在下圖中就可看出，需要檢測的有效信號為反射物反射的回波信號，故要盡量避免檢測到余波信號，這也是超聲波檢測中存在最小測量盲區(qū)的主要原因。數(shù)為秒，靈敏度高

6、，測溫范圍為。具體電路接法為：經(jīng)過一個電阻與開關二極管的正極相連，的負極接地。的正極接口至單片機進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過計算結的結電壓來計算出當前溫度。鍵盤接口電路為（）和。接常規(guī)的低電平復位電路；上拉至高電平，采用查詢方式，當有鍵按下時將產(chǎn)生一個低電平，觸發(fā)單片機開始測距。由單片機的口產(chǎn)生的方波信號，經(jīng)過脈沖變壓器升壓，激勵脈沖電壓加在探頭的壓電晶體兩端，由于逆壓電效應，壓電晶體受激振動而產(chǎn)生形變，從而發(fā)出超聲波，其輻射能量與脈沖電壓直接相關，只要在線性范圍內(nèi)，脈沖電壓越高，其輻射能量越強，檢測儀器靈敏度越高。但以提高脈沖電壓的方式來增強輻射的能量是有限的，因為當脈沖電壓達到一定值時，其輸出能量會

7、飽和，這時提高脈沖電壓不僅沒有好處，反而因脈沖寬度加大而增大檢測盲區(qū)。另外過高的發(fā)射電壓也可能會損壞高頻探頭，所以本次設計脈沖變壓器升壓至，其超聲波載波調(diào)理電路圖如圖所示。圖超聲波信號測量圖程序采用的是脈沖測量法，由控制芯片發(fā)生技術創(chuàng)新圖超聲波載波調(diào)理電路在設計的超聲波檢測接收電路中，程控高頻放大部分電路是本檢測儀器獲得完整的，而且波形不失真的超聲回波信息的關鍵所在。主要涉及到的幾個重要參數(shù)是：增益、動態(tài)范圍、帶寬和放大噪聲。設計中選擇壓控放大芯片，構成程控高頻放大電路。增益控制電路適應不同測試對象對回波信號的強弱影響，可通過的口用軟件來實現(xiàn)動態(tài)自動控制增益值。放大信號最后通過雙電壓比較器對接

8、收的信號進行調(diào)整，再送至單片機的口，具體超聲波回波接收處理電路圖如圖所示。的脈沖信號，每次測量發(fā)射的脈沖數(shù)至少要個完整的脈沖。同時發(fā)射信號前要打開定時計數(shù)器，進行計時；等計時到達一定值后再開啟檢測回波信號，以避免余波信號的干擾。采用外部中斷對回波信號進行檢測（回波信號送到單片機的為一系列方波脈沖）。接收到回波信號后，立即讀取計數(shù)器中的數(shù)值，此數(shù)據(jù)即為需要測量的時間差數(shù)據(jù)。為避免測量數(shù)據(jù)的誤差，程序中對測距數(shù)據(jù)的處理方法是：每進行一次測距，需要測量多次，即可取得多組數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后得到本次測距值，具體流程圖如圖所示。圖系統(tǒng)流程框圖實驗結果分析在范圍內(nèi)（本測距儀的盲區(qū)為），使用標準儀器與

9、所研制的智能超聲波測距儀分別測距，試驗數(shù)據(jù)見表（單位：）。由測試結果可知，測量誤差小于。表實驗測試數(shù)據(jù)圖超聲波回波接收處理電路系統(tǒng)軟件設計圖為超聲波信號測量圖，圖中的波形為示波器抓拍圖，通道為接受端測得波形，即上方的波形；通道為發(fā)射端測得波形。由圖可見，接收回路中測得的超聲波信號共有兩個波束，第一個波束為余波信號，即超聲波接收頭在發(fā)射頭發(fā)射信號（一組的脈沖）后，馬上就接收到了超聲波信號，并持續(xù)一段（下轉(zhuǎn)第頁）現(xiàn)場總線技術應用例元：您的論文得到兩院院士關注本文作者創(chuàng)新點：采用智能化的單片機控制及通信技術，實現(xiàn)了無線語言實驗室的雙向交流，解決了原有的語音實驗室的無線雙向交流（通信）問題，使外語教學

10、更加人性化。并且，其能耗降低，結構緊湊，便于攜帶。單片機開發(fā)與應用，程蔭杭，基于超聲波傳感器的測距系統(tǒng)設計，微計趙廣濤，算機信息，作者簡介：劉成安（），男，漢族，西南科技大學網(wǎng)絡中心副教授，主要從事儀表自動化方面教學研究。孫濤（），男，漢族，信息工程學院研究生，主要從事超聲波檢測及處理方面研究。參考文獻丁桂霞，羅立勝，周詠多媒體語言實驗室與外語教學外語電化教學，（）：張厥勝，鄭繼禹，萬心平鎖相技術西安：西安電子科技大學出版社，員天佑，謝閱，李潮基于單片機的多路信號異步采集技術微計算機信息，（）：李曉春多媒體語言實驗室在外語教學中的應用中國電化教育，（）：李朝青單片機原理及接口技術北京：北京航空

11、航天大學出版社，作者簡介：于堯（），男（漢族），河北省保定市人，河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院在讀碩士，主要從事計算機網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫的研究；賈蘭英（），女（漢族），河北省保定市人，河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院副教授，博士，主要從事計算機網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫的研究。：（），（），：，；（），（），：，（保定河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院）于堯賈蘭英吳寶忠徐宏：，（四川綿陽西南科技大學信息工程學院）劉成安孫濤（，）通訊地址：（四川綿陽西南科技大學網(wǎng)絡中心）劉成安（收稿日期：）（修稿日期：）（上接第頁）需利用緩存的數(shù)據(jù)位數(shù)為位（數(shù)據(jù)位地址位）。通過計算得至少為。經(jīng)過反復測試表明，任何圖形以及畫面的頻繁切換都可被正確的顯示。說

12、明此方案得到了成功的運用。結束語在利用現(xiàn)有標準核的基礎上，通過添加本文設計的控制器核，可方便的實現(xiàn)具有人性化人機交互界面的系統(tǒng)，便于系統(tǒng)實現(xiàn)小型化，集成化。如果在系統(tǒng)中配置大容量，加入串行口、以太網(wǎng)口或等接口，將實時操作系統(tǒng)運行于處理器上，就可以構建一個較為完善的，基于通信、消費類產(chǎn)品等多方面的嵌入式系統(tǒng)。這將在網(wǎng)絡、有著廣闊的應用前景。本文作者創(chuàng)新點：將自主編寫的控制器做成可重復利用的核集成到系統(tǒng)中，并在控制器中加入緩存數(shù)據(jù)，降低了軟件底層驅(qū)動人員編程難度，提高了顯示質(zhì)量。技術創(chuàng)新（，）通訊地址：（河北河北保定市河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院電氣系）于堯（收稿日期：）（修稿日期：）（上接第頁）結論以單片機為控制核心，采用溫度補償?shù)姆椒ㄋO計的超聲波測距儀，在實際測量中，能達到很高的使用精度，實現(xiàn)了非接觸、低功耗、免維護、性價比高等特點，是一款有很好市場前景的智能式測距儀。本文作者創(chuàng)新點：本系統(tǒng)以低價工控單片機為控制核心，此單片機具有驅(qū)動能力強，運行速度快，抗干擾能力強等特點，使得其在外接驅(qū)動電路上大為簡化，作為產(chǎn)品開發(fā)時其性價比高；其次，由于本系統(tǒng)采用脈沖法測距，系統(tǒng)在遠距與近距時都可實現(xiàn)精確測量，所以系統(tǒng)的測量范圍更廣，精度更高。參考文獻，（）：，：周東輝中自適應二進制算術編碼的核設計付遙，及其驗證微計算機信息，：作者