高精度超聲波智能測距儀的設計與實現(xiàn)

1、高精度超聲波智能測距儀的設計與實現(xiàn)高精度超聲波智能測距儀的設計與實現(xiàn)超聲波是頻率高于20KHZ的聲波，它指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的間隔 較遠，因此超聲波經(jīng)常用于間隔 的測量。利用超聲波檢測迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，在使用中不受光線、粉塵、電磁波等因素影響，且在測量精度方面能到達工業(yè)實用的要求，因此在挪動機器人研制、避障、車輛的定位與導航、液位測量等領(lǐng)域應用廣泛。1超聲波測距原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開場計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停頓計時。超聲波在空氣中的傳播速度為，根據(jù)計時器記錄的發(fā)射

2、和接收的時間差t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的間隔 s，即：s=t/2。2誤差分析根據(jù)超聲波測距原理s=t/2，可知影響測量間隔 準確性的因素有兩個：傳播速度和時間差t。所以盡可能地消除這兩個因素的影響就可以進步測量的精度。超聲波傳播速度在固體中最快，在氣體中最慢。超聲波在空氣中傳輸速度和溫度有關(guān)，溫度越高傳輸速度越快。假如環(huán)境溫度變化明顯，必須考慮溫度補償問題?？諝庵谐暡▊鬏斔俣群蜏囟汝P(guān)系表示為：=331.450.607T(/s)式中T為環(huán)境溫度，。常溫下超聲波傳播速度是340/s,由于反射式測量有兩倍的測量路程，那么被測間隔 和測量時間的關(guān)系為d=340/2t，即計時1us對應被測間隔

3、為0.17。所以采用計時器的計數(shù)頻率為1HZ時，對應的測距最小分辨率為0.17。這種分辨率已滿足絕大多數(shù)工業(yè)測量的要求。3系統(tǒng)硬件設計如圖1，超聲波智能測距儀主要包括：飛思卡爾單片機9SXS128、超聲波發(fā)送電路、超聲波接收電路、DS18B20測溫電路、LD1602液晶顯示電路、報警電路。論文聯(lián)盟圖1系統(tǒng)硬件框圖3.1超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路由L555時基電路及外圍元件構(gòu)成40KHZ多諧振蕩器電路，調(diào)節(jié)電阻器RP阻值，可以改變振蕩頻率。由L555第3腳輸出端驅(qū)動超聲波換能器T40-16，使之發(fā)射出超聲波信號。如圖2所示，電路簡單易制,發(fā)射超聲波信號大于8。圖2超聲波發(fā)射電路圖3.2超聲波接

4、收電路超聲波接收電路負責接收超聲波信號.并將超聲波信號轉(zhuǎn)換成單片機能識別的電信號。超聲波換能器在接收到超聲波信號時，由于壓電效應會在兩個接頭上產(chǎn)生微弱的電壓信號。利用這一性質(zhì)，設計前置放大電路，帶通濾波、自動增益控制電路和整形電路，將模擬信號轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號。超聲波接收的回波信號幅值隨著被測間隔 的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，目的間隔 越遠回波信號幅度越校以接收回波信號的幅值超過固定閾值的時刻作為計時的停頓信號，會導致計時誤差隨測量間隔 的增加而增大。因此，設計了自動增益控制電路，電壓放大倍數(shù)隨測量間隔 的增大而呈指數(shù)規(guī)律增加，使接收回波信號的幅值根本保持不變，再通過整形電路輸出，就可以明顯地進步測量

5、精度。本系統(tǒng)設計了通過軟、硬件結(jié)合的AG電路，它是由可編程放大器AD620、數(shù)字電位器AX5400結(jié)合單片機實現(xiàn)的。圖3自動增益控制AG電路原理圖AD620是一種電阻可編程放大器，內(nèi)部由三運放組成，具有很高的精度和共模抑制比。增益范圍為11000，由接在管腳1、8之間的電阻Rg調(diào)節(jié)。增益公式為：Gain=1+49.4K/Rg，式中Rg單位為K。AX5400是一種具有256抽頭的數(shù)字電位器，端一端電阻阻值為50K，并帶有SPI接口。管腳3、4、5與單片機SPI接口相連，實現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)。事先把通過實驗獲得的與一定間隔 對應的較為理想的放大倍數(shù)換算成數(shù)字電位器的抽頭位置，并把這些位置參數(shù)固定在程序表

6、中。單片機根據(jù)測量間隔 的遠近通過查表獲得參數(shù)，然后通過SPI接口設置對應增益。3.3溫度補償電路由于溫度對聲速影響較大，假如不進展補償，將會帶來較大的測量誤差。為了進步系統(tǒng)的精度，需要設計溫度補償電路。本系統(tǒng)采用DS18B20來實時采集環(huán)境溫度。DS18B20是單線串行數(shù)字溫度傳感器，可以直接與單片機的I口相連，硬件電路簡單。溫度測量范圍為-55125，-1085時測量精度為0.5,完全滿足系統(tǒng)的要求。4系統(tǒng)軟件設計該系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示，主要包括：主程序、超聲波發(fā)射子程序、運算子程序、溫度采集子程序、外部中斷子程序、定時器中斷子程序、LD顯示子程序、報警子程序。論文聯(lián)盟圖4程序流程圖

7、5實驗結(jié)果該系統(tǒng)硬件構(gòu)造簡單，軟件實現(xiàn)比擬容易，測距精度高。采用前置放大器、AG電路、整形濾波電路對接收信號進展處理，獲得良好的效果。實驗數(shù)據(jù)如表1：表1實驗數(shù)據(jù)及測量誤差通過上表實驗數(shù)據(jù)說明，在近間隔 測量范圍內(nèi)，該方法可以到達級。這種超聲波測距系統(tǒng)是一種理想的非接觸檢測方式。6完畢語本系統(tǒng)采用飛思卡爾高速單片機做核心處理器，在超聲波發(fā)射電路中搭建555定時器多諧振蕩器電路產(chǎn)生40KZ的脈沖信號，在超聲波接收電路中應用了自動增益電路，使得接收靈敏度大幅進步?？紤]到溫度對聲速的影響設計了溫度補償電路，因此該系統(tǒng)具有很高的測量精度，在2001000范圍測距時誤差1以內(nèi)。本系統(tǒng)可滿足液位探測、機器人定位、工業(yè)高精度測距等方面的實際需要。參考文獻:1趙海鳴,卜英勇.一種高精度超聲波測距方法的研究J.湖南科技大學學報:自然科學版,2022,21(3):35-36.2時德鋼,劉曄.超聲波測距儀的研究J.計算機測量與控制,2002,10(7):480-482.3蘇煒,龔壁建.超聲波測距誤差分析J.傳感器技術(shù),2022,23(6