超声波测试程序设计.docx

基于单片机的超声波测距系统的设计 1 引言超声波测距作为一种典型的非接触测量方法，与激光测距、红外线测距相比，超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感，更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境，在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势。由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均得到广泛应用，如倒车防撞雷达、海洋测量、物体识别、工业控制，建筑工程测量和机器人视觉识别。2超声波测距基本原理超声波测距的基本工作原理是测量超声波在空气中的传播时间，由超声波传播时间和传播速度来确定距离障碍物的距离，即脉冲-回波方式。该方式的基本电路框图如图1所示。由发射传感器、发射电路、接收传感器、接收放大电路、回波信号处理电路和单片机控制电路等几部分组成。发射电路是一个工作频率为40khz的多谐振荡器，多谐振荡器受单片机控制，产生一定数量的发射脉冲，用于驱动超声波发射传感器，并激励出超声波在空气中传播，遇障碍物反射而返回。超声波接收传感器通过压电转换的原理，将由障碍物返回的回波信号转换成电信号，由于该信号幅度较小（几到十几毫伏），因此须由低噪声放大、40khz带通滤波电路将回波信号放大到一定幅度，且干扰成分较少，并由回波波号处理电路转换成方波信号，送至单片机系统进行时间测量和距离的显示。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：s=ct/2。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器t0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在int0端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。3 超声波测距的误差分析3.1 环境温度对测量精度的影响利用超声测距要考虑媒质的弹性模量和密度对声速的影响。在气体中，压强、温度、湿度等因素会引起密度的变化，气体中声速主要受密度影响，超声波在固体中传播速度最快，气体中传播速度最慢。气体中声速受温度影响最大，超声波在空气中传播速度为式中t为绝对温度，c0=331.4m/s。由于声速与温度有关，为了提高测量精度，设置了温度检测电路，根据实际测量的温度值利用公式计算超声波速度，对最终测量结果进行校正。3.2 回波前沿检测误差对测量精度的影响超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。整个过程，由于吸收衰减和扩散损失，声强随目标距离增大而衰减；同时衰减系数还与超声波的频率有关。因此超声波测距在实际应用的局限性，影响了超声波测距的精度。一是超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生较大的误差。二是超声波脉冲在发射、空气中传播和接收过程中，其回波信号被展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离的测量造成较大的影响。由于超声波收、发传感器均由压电陶瓷构成，压电陶瓷片在压电的双向转换过程中，均存在惯性、滞后等现象，导致回波信号被展宽。这些因素造成了回波正确到达时间的不确定性，对测量精度造成较大的影响。正确检测回波到达时间，能使超声波测距精度获得提高。4系统组成结构4.1 硬件结构主要包括at89c51单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、测温电路等。采用数字温度计ds18b20来采集温度信号，ds18b20是美国dalas公司推出的单线串行数字温度计，可直接与单片机连接，测量范围从-55125，-1085时测量精度为0.5。超声波发射及驱动电路由功率放大电路和超声波发射传感器组成，其原理电路如图2所示。放大器输人端获得一个来自单片机送来工作频率为40khz的脉冲信号。通过功率放大电路放大到足够大的能量（增加超声波的传播距离），该能量加给超声波发射传感器，驱动超声波发射头，并发射出40khz脉冲波，通过空间向外传播出去。超声波接收电路由高速运算放大电路和超声波接收传感器组成，其原理电路如图3所示。超声波在空气中传播时，其能量衰减程度与传播距离成正比，所以超声波传感器接收信号一般在1mv-iv之间。接收电路采用由lm318高速运算放大器组成两级信号放大电路对其进行放大，以满足增益带宽和转换速率的要求。当超声波接收传感器接收到返回的超声波信号，接收传感器将超声波脉冲变为交变电信号，经放大器放大后进行处理。测距电路的输入端接单片机p1.0端口，单片机执行程序时，在p1.0端口输出一个40khz的脉冲信号，通过超声波发射电路发射出去，同时启动单片机内部的定时器t0，定时器开始计数。当反射物将超声波反射回来，超声波接收电路接受处理，输出端产生一个负跳变，在into端产生一个中断请求信号，定时器停止计数。单片机响应外部中断请求，执行外部中断子程序，读取超声波从发射到接收的时间差，最后经过换算得出超声波传感器与反射物之间的距离。4.2 系统软件系统软件包括主程序、温度采集子程序、发射子程序、计算子程序、数码显示子程序、外部中断子程序和定时器中断子程序。主程序完成初始化后调用发射子程序，由p1.0口发射脉冲，驱动超声波传感器发射超声波，并关外部中断，计数器t0开始计时；为防止虚假回波的干扰，在延时一段时间后，开中断。当有外部中断信号时，单片机就停止t0的计时，计算出渡越时间t并存储到e2prom中；然后调用测温子程序，采集超声波测距时的环境温度，并换算出准确的声速c，存储到e2prom；单片机再调用计算子程序，计算出传感器到目标物体之间的距离，最后把测量结果存储并通过数码管电路显示出来，完成一次测量。设计中，超声波发射极和接收极距离较近，当发射极发射超声波后，有部分超声波没经过障碍物反射就直接绕射到接收极上，这部分信号是无用的，会引起系统误测。设计中采用延时技术来解决这个问题，并设定延时时间为1ms，即在发射极发射超声波1ms内，通过软件关闭所有中断，接收电路对此期间接收到的任何信号不予理睬，1ms后立即启动t0，这时接收到的信号才有效，并在接收到回波信号的同时，t0停。此时t0所记录的cpu发送脉冲信号的前沿到回波脉冲信号之间的时间才是需要的。因此系统存在测量盲区。主程序流程图如图4所示