毕业设计（论文）-基于单片机的超声波测距系统的设计与实现.doc

XXX基于单片机的超声波测距系统的设计与实现中 文 摘 要由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，被广泛的用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、快捷、方便简单、易于做到实时控制。是一种非接触式的检测方式，与其他方法相比不受光线，被测对象颜色的影响，对于被物体处于黑暗、有灰尘、烟雾、有毒等恶劣环境下有一定的适应的能力。本文介绍了超声波测距系统的方法和原理。本次设计用CD4049、CX20106芯片实现对超声波的发射与接收，采用AT89C51型单片机作为主控制器，对发射、接收电路的数据进行控制和处理，用动态扫描的方式实现数码管的距离数字显示。在介绍测距系统功能的基础上，给出系统的整体构成，对系统中发射、接收、显示电路给出了软硬件的论证。经过调试本系统在5200cm的距离内测量精度可达1cm，实际使用表明该系统工作稳定, 性能良好。 关键词：超声波；测距；单片机；数码管Design and Implement of Ultrasonic DistanceMeasuring system based on single chip MicrocomputerABSTRACT Because the ultrasonic wave has the features ,such as strong point,slow energy consumption and a long distance transmission in the medium ,it always used for ultrasonic,energy consumed slowly,and transmiting more further in the medium, ultrasonic is often used for distance measurement.such as range finders and all level measurement can be achieved through the ultrasonic wave .Use of ultrasonic testing is often more rapid,convenient and simple terms,easy to real-time control.It is a non-contact detecttion methods.Compared with other methods,it is not influenced by light,color and other effects of the tested object.When the measured objected in the dark, dusty, smoggy,toxic and adverse circumstances,ultrasonic wave has a certain degree of adaptability. This text has mainly described the principle and method of ultrasonic range-finder.This design adopt the CD4049, CX20106 chip to achieve transmitting and receiving of ultrasound,using AT89C51 single-chip microcomputer as the main controller to control and process of data of the transmitter and receiver circuitry,the dynamic scanning method to achieve digital distance display.Basing on introducing the function of ultrasonic ranging system,this thesis raises the overall composition of the system and gives the system transmitter and receiver, the display circuit hard ware and software demonstration.After commissioning of the system the distance measurement can measure in 5 200cm,the accuracy up to 1cm, and the actual use shows that the system is stable and good performance. KEY WORD: Ultrasonic; distance measuring; single chip microcomputer numerical code tube目 录第一章 前言11.1课题的研究背景及意义11.2课题的国内外研究现状11.3课题的可行性2第二章 整体方案设计和器件选择32.1超声波测距的原理32.2超声波传感器的工作原理及结构图32.3 AT89S52型单片机介绍42.4 CD4049芯片介绍52.5 CX20106芯片介绍6第三章 超声波测距系统硬件电路设计73.1整体电路设计73.2超声波发射电路设计73.3超声波接收电路设计93.4超声波显示电路设计103.5超声波温度补偿电路设计113.6超声波温度报警电路设计12第四章 超声波测距系统软件设计134.1软件设计分析134.2软件设计思路134.2.1主程序134.2.2 超声波测距子程序144.2.3 超声波温度补偿子程序154.2.4 超声波延时子程序16第五章 调试及误差分析175.1硬件调试175.2硬软件联调175.3测试结果分析185.3.1测试波形185.3.2测试中仪器仪表205.3.3 数据分析205.4超声波测距误差分析205.4.1温度误差215.4.2串扰问题21第六章 结束语22参考文献23致 谢24附录25附录一 实物图25附录二 程序28第一章 前言1.1课题的研究背景及意义超声波是指频率高于20KHz的声波，属于机械波的范畴，遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等，正是因为有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量，随着经济的发展，科技水平的不断提高，电子测量技术应用越来越广泛，超声波测量精度高，成本低，性能稳定则备受青睐，超声波测距技术被广泛的应用于人们生活和工作中。由于超声波测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色的影响，比其他仪器更卫生，具有不污染、高可靠、长寿命等特点，被广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、污水处理厂、食品、水文、等行业中，可在不同环境中进行距离的准确度在线标定，可直接用于水酒精、糖等液位控制，能达到工业实用的指标要求。还可以用于移动机器人的视觉系统中，这样可使机器人自动躲避障碍物行走，及时获得障碍物的位置信息，同时超声波测距系统具有以上的这些特点，在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛应用1。1.2课题的国内外研究现状目前国际国内，在超声波测距方面的研究方向和水平的不同，主要体现在对测距原理、超声波信号处理方法和超声波测距处理器的选用上。常见的超声波测距原理分为渡越时间法和相位差法两种。信号的处理方法大致分为阈值检验法、互相关延时估计法、伪随机码扩频测距法和最小均方法四种。在处理器方面大多以单片机为主，其中以51系列应用最为广泛，采用运算速度更快，效率更高dsp芯片作为处理器，也正成为一个非常活跃的研究方向。目前已研制的超声波测距仪中，量程一般为3-12m，美国AIRMAR公司生产的airducer AR30超声波传感器的作用距离可达30m，但价格昂贵，准确度方面已控制在测量误差的0.4%左右，与真值的差距在厘米级的范围内，若采用互相关或伪随机法，最高可控制在0.05m内，在提高精确度方面，超声波测距还有很大的发展潜力和上升空间2。1.3课题的可行性 随着现代科技的发展和电子行业的兴起，各种具有强大功能集成电路的开发和先进的电子仪器和电子设备，这些都为开发这种电子产品奠定了坚实的物质基础。随着我校的教学质量的提升和教学内容的深入，电子信息工程系学生的专业综合素质有一定提高，对于研发这一类的产品已经不是什么难题，为开发这类电子产品奠定了坚实的专业基础，只要给予正确的指导，一定能完成本次设计。第二章 整体方案设计和器件选择2.1超声波测距的原理 谐振频率高于20 kHz 的声波称为超声波。超声波为直线传播方式, 频率越高, 反射能力越强, 而绕射能力越弱。利用超声波的这种特性, 常常用渡越时间检测法进行距离的测量。其工作原理是:换能器向介质发射超声波, 声波遇到目标后必然有反射回波作用在换能器上。若已知介质中声速为c, 回波到达时刻与发射波时刻的时间差为t, 就可以计算出发射点与反射点的距离s:s= c.t/2 (1)式中c 为超声波的传播速度,m/s。超声波在固体中传播速度最快, 在气体中传播速度最慢而且声速c与温度有关 。如果环境温度变化显著, 必须考虑温度补偿问题。空气中声速与温度的关系可以表示为：c=331.4+0.607T(m/s) (2)式中T为环境温度,3。2.2超声波传感器的工作原理及结构图为了研究和利用超声波, 人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲, 超声波发生器可以分为两大类: 即用电气方式和机械方式产生超声波。前者包括压电型、磁致伸缩型和电动型等; 后者有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同, 因而用途也各不相同, 目前较为常用的是压电式超声波发生器，压电式超声波换能器是利用压电晶体谐振来工作的。内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。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，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是超声波发生器;如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同4。共 振 板电极压电晶片图 1 超声波传感器结构 以下为型号T/R40-10的超声波传感器的特性参数（T-发射，R-接收，40-中心频率单位kHZ,10-外壳直径单位mm） 图2 超声波传感器参数2.3 AT89S52型单片机介绍AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止5。其引脚图如图3所示：P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻 辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下， P0不具有内部上拉电阻。 在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR） 时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。 在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p3 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。 第二功能： P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INTO(外中断0) P3.3 INT1(外中断1) P3.4 TO(定时/计数器0) P3.5 T1(定时/计数器1) P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器读选通) 图3 AT89S52单片机引脚图及实物图2.4 CD4049芯片介绍CD4049反相缓冲器/转换器，具有仅有一电源电压（VCC）进行逻辑电平转负载换的特征。该器件主要用作COS/MOS到DTL/TTL的转换器，能直接驱动两个DTL/TTL6。其引脚图如图4所示： 图4 CD4049引脚图2.5 CX20106芯片介绍集成芯片CX20106在接收电路中起了很大的作用。CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，具有功能强、性能优越、外围借口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38KHZ与测距的超声波频率比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0可由5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为30-60。故本次设计用它来做接收电路。CX20106内部前置放大器、限幅放大器、带通滤波器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，有滤波器进行频率选择，滤出干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到AT89S52的INT0引脚上，来触发中断7。芯片的引脚图如图5所示： 图5：CX20106芯片引脚图第三章 超声波测距系统硬件电路设计3.1整体电路设计整体电路的控制核心为单片机AT89S52，超声波发射和接收电路都对相应信号进行整形及放大，以保证测量结果尽可能精确。超声波探头接P3.7和P3.2实现超声波的发射和接收。整体电路如图6：包括超声波发射电路，超声波接收电路，显示电路等模块组成8。 AT89C51 接收电路 发射电路 LED显示电路 图6超声波测距系统框图3.2超声波发射电路设计超声波测距技术经过几年的研究和发展，已经有了很多比较成熟的技术和设计方案，是本次设计有很多借鉴的资料，从中学到了很多宝贵的知识。度自己设计电路有很大帮助。超声波发射电路，要求功率尽量大些，发射距离远点，电路力求简单实用。我参考了电路图如图7、89。吸收这两个图的优点而避免他们的缺点，然后给出自己的发射电路。40KHZ超声波发射电路之一，电路中晶体管VT1、VT2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器T40-16的共振频率。T40-16是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。T40-16两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。S是电源电压，按一下S，便能驱动T40-16发射一串40KHZ的超声波信号。电路工作电压9V，工作电流约25mA。发射超声波信号大于8m。电路不需调试即可工作。这样电路简答实用如图7所示： 图7 超声波发射电路40KHZ超声波发射电路之二。在这个电路中，由单片机产生40KHz方波信号，然后信号经过CD4049放大后输出到发射探头(超声波换能器)，产生超声波，发射出去。其中CD4049是六反相缓冲器，在六反相器CD4049中将40 kHz方波信号分成两路。一路经两级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经三级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，对信号进行反向放大，从而构成推拉式反向放大，提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，主要是用以提高驱动能力，增加它的输出电流。电容C1和C2平衡信号的输出，使波形稳定。电路如图8所示： 图8 超声波发射电路综上所述，我选择方案二，器件容易购买，而且焊接时比较容易，满足我设计的功能。3.3超声波接收电路设计CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38kHZ与测距的超声波频率40kHZ比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为30-60kHZ。故本次设计用它来做接收电路。CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成10。外形引脚图及内部原路图如图9所示，其中引脚个功能如下：1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。2脚： 该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7，C1=1F。3脚： 该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3f。4脚： 接地端。5脚： 该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，f042kHz，若取R=220k，则中心频率f038kHz。6脚： 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7脚： 遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。8脚：电源正4.55.5V 图9 CX20106内部电路由此功能构成的超声波接收电路如图10所示： 图10 超声波接收电路3.4超声波显示电路设计在单片机应用系统中，LED数码管的显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。静态显示的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O口比较多，如驱动3个数码管静态显示则需要3824根I/O口，故实际应用时需扩展I/O口，增加了硬体电路的复杂性。故本设计采用动态显示，用单片机的P1口与数码管的数据段相连，P2口与数码管的位选端相连，节省了单片机的口资源，电路如图11所示： 图11数码管显示电路 3.5超声波温度补偿电路设计 DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。由于声速受气温的影响比较大，所以本文通过P3.6口控制DS18B20，来对超声波测距中声速进行修正，尽量减少测距中的误差11。 图12 温度补偿电路3.6超声波温度报警电路设计 通过单片机P3.5口来控制蜂鸣器，其外部电路如图13所示： 图13 超声波报警电路第四章 超声波测距系统软件设计4.1软件设计分析 完成了系统的硬件设计之后，接下来的就是系统软件设计，此设计所需要完成的主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。由以上所述系统硬件设计和各个电路功能，系统软件需要实现以下功能：1、信号控制。在系统硬件中，已经完成了发射电路、回拨检测接收电路的设计。在系统软件设计中只需完成发射脉冲信号及输出显示。2、数据存储。测距系统中需要得到发射信号与接收回波的时间差，需要读出计时器的计数值，然后存储在RAM中，而且每次发射周期的开始，需要对计数器清零，以备后续处理。3、信号处理。RAM中存储的计数值并不能作为距离值直接显示出来，有这个时间后，可以通过程序来计算出来。4、距离显示。经过软件处理得到的距离值需要十进制的数码管方式。4.2软件设计思路 超声波软件测距软件设计主要由主程序，发射子程序，外部中断接收子程序及显示子程序12。程序可以由汇编和C来编写，汇编语言虽然有很高的效率和精确度，但使用起来比较难以掌握，本文主要采用C语言程序来完成各个功能。4.2.1主程序主程序流程图如图14所示。主程序首先对系统环境初始化，设置T0工作模式为16位的定时器模式，及计数初值，然后使超声波发射出一串40kHZ的方波。由于采用12MHZ的晶振，机器周期为1us，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0的数（即超声波来回所用的时间）按下面的计算可测得被测物体与测距仪之间的距离，通过温度补偿，由P3.6口读取当前的温度值来补偿声速C=331.4+0.607T(m/s），则有：S=（C*T0）/20000（cm）（T0为计数器TO的计数值）。测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示，然后再循环进行下一次距离的测量。当数码管超出设置的最大距离后报警器会报警。开始系统初始化调用温度检测子程序调用测距子程序结合温度修正速度计算测量结果调用显示子程序结束 图14 主程序流程图4.2.2 超声波测距子程序超声波发射子程序在P3.7口产生40kHZ方波脉冲宽度约12us，作为超声波发射器的输出信号。一旦接收到超声波返回信号后（INT0引脚出现低电平），就立即进入中断程序。进入中断程序后就立即关闭定时器，T0停止计时，并将接收到的标志位为1,，然后在主函数里调用计算距离公式，在显示出来。流程图如图15：开始发射超声波停止发射，并启动计数器开始计数N外部0是否有中断 Y计数器停止计数计算检测结果返回 图15 超声波测距子程序流程图4.2.3 超声波温度补偿子程序开始 流程图如图16所示：启动温度检则电路得出对应的温度T值返回 图16 温度检测子程序流程图4.2.4 超声波延时子程序 在传感器以脉冲发射方式工作下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分，此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象成为阻塞。不同的检测仪阻塞成都不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量会使结果偏低，甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。由于发射脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段时间成为盲区。延时子程序的作用就是在超声波发射的同时延迟一些时间，在打开中断，为了就是防止在超声波发射时接收器就收到发射波，这样就会产生错误，产生比较严重的误差，所以要延迟一定的时间。第五章 调试及误差分析5.1硬件调试超声波测距仪的硬件安装时应保持两换能器中心轴线平行两者之间的距离在3-5cm之内，其余元件没有特殊要求。若能将超声波电路用金属壳屏蔽起来，可以提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。 硬件调试中，首先是线路的检查。焊接完实验后检查是否有错焊、漏焊、虚焊，电解电容是否接反，走线是否正确。检查无误后，再次就是上电检查，这时，AT89S52、CD4049、CX20106不要插上。在正式上电前，用万用表测量一下电源与地是否短路，短路的话，要耐心检查、排除故障。然后进行显示电路，用同样的方法对显示部分进行调试后，给单片机与数码管段码连接的输出的各个引脚加不同的高低电平，再用一个高电平分别对位码进行选择，数码管能够显示，说明显示部分电路没有问题。最后是对发射和接收电路，用函数发生器吧40kHZ的方波直接加到发射电路的输入端后，用示波器检测超声波发射的换能器，检差是不是有方波信号，再用函数发生器对超声波接收的换能器直接加40kHZ的方波信号，用示波器对接收电路输出端进行检测。通过这些过程，硬件部分的调试就基本完成了，剩下的就只有软件和硬件的联调了。5.2硬软件联调硬件测试好后，便可将程序编译下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为0.042.10m，测距仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。图17为在keil_uVision3里编译的情况： 图17 程序在keil_uVision3软件中调试界面5.3测试结果分析5.3.1测试波形图18、19中的波形为示波器抓拍的发射和接收电路中所得的波形图，上方的波形为发射电路中所得的波形图，下方的波形为接收电路中在cx20106的1引脚处测得波形。图 18 发射波形图图 19 接收波形图由上图可见，接收回路中测得的超声波信号共有两个波束，第一个波束为余波信号，即超声波接收头在发射头发射信号（一组40KHz的脉冲）后，马上就接收到了超声波信号，并持续一段时间。另一个波束为有效信号，即经过被测物表面反射的回波信号。超声波测距时，需要测的是开始发射到接收到信号的时间差，由上图中就可看出，需要检测的有效信号为反射物反射的回波信号，故要尽量避免检测到余波信号，这也是超声波检测中存在最小测量盲区的主要原因。 5.3.2测试中仪器仪表所用仪器仪表如表1表 1 仪器仪表序号名称型号品牌数量备注1直尺/1精度：0.1cm2万用表/13数字示波器GDS-206215.3.3 数据分析基于上面设计的硬件电路和软件，焊接好电路后，经过调试，对系统进行测试，测试的距离数据如表2。测量单位：cm。 表 2 距离测试数据 单位：cm实际距离5102021253035405060测量距离592020253134384960误 差0101011210实际距离708994105115120140180195200测量距离719091109118118140183194200误 差11343203105.4超声波测距误差分析超声波测距在实际应用也有局限性，其中对超声波测距的精度要求挺高。一是超声波在空气中衰减极大，因为测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生了较大的误差；二是超声波脉冲回波在接收过程中展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离造成较大的影响，还有一些因素，诸如环境温度、风速等也会对测量造成一定地影响，这些因素都限制了超声波测距在一些对测距精度要求较高的场合的应用，如何解决这些问题，提高超声波测距的精度，具有较大的现实意义13。本系统最大测距误差在3cm左右，测距的盲区为5cm。5.4.1温度误差由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，不同温度下超声波在空气中传播的速度随温度变化的关系： 式中：T为绝对温度（）,为331.4m/s。表3列出了不同温度下的超声波声速。在使用时，若果温度变化不大，则可以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14。 表 3 声速与温度的关系 为了进一步搞清楚对测距结果的影响程度，可由一组数据加以说明。以10.00m作为基准，根据公式,以及温度对波速的影响计算在不同温度下的传播时间表。根据声速的传输率表可知，温度在-30-30传输时间相差为3.2ms，选择中间温度的速度，传输时间最大相差只有2.1ms也就是说工作在-30-30环境下，每相差10，传输时间大概有0.5ms的差异。设计的测距器在程序编写时如果声速统一采用331m/s的话，工作在-30-30环境下最大误差不超过21m/s，测量10m距离时，结果的最大误差为S=18m/s*31.9ms=0.5742m，结果误差已经很大了，由此可知，在工业场合下，温度的影响不容忽视，要能够正确测量，需要在装置中增加温补补偿模块，根据检测到的温度对声速进行补偿。本设计中考虑到这一点也对设计进行了温度补偿。5.4.2串扰问题设计中发射极和接收极距离较近，这样当发射极发射超声波后，有部分超声波经过障碍物反射就直接绕射到接收极上，这部分信号时无用的，会引起系统误差，而且这种误差是不可避免的。设计中采用延时来解决这个问题，经过多次程序校正本设计的盲区为5cm13。参考文献1孟立凡等.传感器原理及技术M,北京，国防工艺出版社，2005.2杨永瑞,刘振起.电子测量技术基础M,西安：西安电子科技大学出版社,2004.3栾桂东等.传感器及其应用M，西安，西安电子科技大学出版社，1996.4王子芳.传感器应用技术M，西安，西北工业大学出版社，1996.5张国勋，孙海. 单片机原理及应用（第二版）M,北京：中国电力出版社,2007.6朱爱红,朱宁文.基于AT89C2051的超声波测距系统J，信息技术与信息化,2006, No.5.7翁黎朗.超声波换能器驱动和接收电路的研究J,集美大学学报,白然科学版，1998, No.4: 60-64.8赵广涛 ,程荫杭.基于超声波传感器的测距系统设计J，微计算机信息， 2006，No.1:129-131.9卜英勇,何永强.一种高精度超声波测距仪测量精度的研究J，郑州大学学报(工学版)，2006,No.1.10张谦琳.超声波检测原理和方法M,北京：中国科技大学出版社,1993.11翟国富,刘茂恺.一种实时高精度的机器人用超声波测距处理方法J,应用声学,1996,No.1.12谭浩强.程序设计（第二版）M,北京：清华大学出版社,1999.13张红莲.基于单片机的超声波测距系统的设计J. Plc&TA.2008(09)：89-91.14Shirley PA. An introduction to ultrasonic sensingJ.sensors.1989(11):15-21.15H.Elmer, H.Schweinzer,G.Magerl. High resolution Supersonic distances measurement for long distancesJ.Technisches Messen .2003,70(04):18-22. 附 录附录一 实物图显示电路 控制电路测距电路温度补偿和报警电路 附录二 程序 /*初始化程序*/ #include /器件配置文件#include #define TX P3_7#define DQ P3_6#define SPEAK P3_5#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuint i,c ;uchar temp;unsigned int time=0;unsigned char posit=0;unsigned long S=0;bit flag =0;bit recflag =0;unsigned char const discode = 0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xBF,0xff/*-*/;unsigned char const positon3= 0xfe,0xfd,0xfb;unsigned char disbuff4 = 0,0,0,0,;void init_ds18b20(void); void delay(uint t);uchar read_byte(void);void write_byte(uchar dat);uchar readtemptaure(void); void delay_50us(uint t);void delay1(uchar x); /*延时函数*/ void delay (uint t) while(t-); void delay1(uchar x)uchar j,k;for(j=x;j0;j-)for(k=80;k0;k-);/*显示函数*/ void Display(voi