简易超声波测距装置.doc

2011年全国大学生电子设计竞赛简易超声波测距装置（B题）【高职组】摘要：设计中利用单片机C8051F020控制超声波模块测距，由MCU控制时间计数，计算超声波从发射至接收的往返时间，从而算出实际距离。整个系统由超声波收发单元、温度测量单元、显示单元和控制单元4个单元组成。软件部分主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分组成。设计给出了系统构成、电路设计、程序编程，系统具有易控制、工作可靠、测距的准确率高。关键词：超声波模块 温度测量单元 单片机C8051F020 Abstract: the design of C8051F020 SCM control using ultrasonic ranging from MCU control time, count, the calculation to receive from the launch ultrasonic round-trip time, and get the actual distance. The whole system consists of ultrasonic transceiver unit, temperature measurement unit, display unit and control unit 4 unit. The main part of the main program software, ultrasonic happen subroutines, ultrasonic receiving interruption program and display subroutines components. Design gives the system structure, circuit design, programming, the system has the easy control, reliable working, ranging accuracy is high.Keywords:Ultrasonic，temperature measurement unit， C8051F020 SCM module 目录1、方案论证11.1总体方案11.2收发单元方案论证12、硬件电路设计22.1 Parallax 28015系列超声波传感器22.2 单片机C8051F02023、理论分析33.1超声波测距的原理33.2计算超声波传输时间34、软件设计45、系统测试55.1实验数据处理55.2误差分析 66、 总结67、参考文献6附录一：元器件料表7附录二：整体电路图88简易测距装置1、方案论证1.1总体方案本文主要采用单片机控制技术，实现精确的超声波测距方案，整个系统由超声波收发单元、温度测量单元、显示单元和控制单元4个单元组成。其中，超声波收发单元主要实现超声波的发送和接收；温度测量单元主要测量外界温度，由于外界的温度对超声波的速度有影响，实现温度补偿，提高准确度；显示单元实现测量数据的显示；单片机为控制单元，完成指令发送，接收数据，进行计算等任务。超声波收发信号处理温度测量液晶显示单片机（C8051）图1 系统方框图1.2总体方案论证方案一：超声波测距方案，超声波测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，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中断停止计时。 通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。在计算精度和总体有效性、超声波距离检测方面占优越,尤其相比与其他低成本的远程检测系统。不适用于测量距离超过3米。方案二：红外测距方案，用调制的红外光进行精密测距的仪器，测程一般为1-5公里。利用的是红外线传播时的不扩散原理 ：因为红外线在穿越其它物质时折射率很小，所以长距离的测距仪都会考虑红外线，而红外线的传播是需要时间的，当红外线从测距仪发出碰到反射物被反射回来被测距仪接受到再根据红外线从发出到被接受到的时间及红外线的传播速度就可以算出距离。红外测距的优点是便宜，易制，安全，缺点是精度低，距离近，方向性差。综上所述，设计选用的是方案一，超声波传感器结构简单、体积小、成本低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化，最重要的是精度更高一些。2、硬件电路设计设计超声波测距系统是由parallax 28015系列传感器和单片机C8051F020构成，由LCD-12864显示。2.1 Parallax 28015系列超声波传感器此超声波传感器模块是集发送与接收一体的一种传感器。传感器有三个引脚，一个为VDD,一个GND,一个控制端SIG，当给控制端一个2us-5us的正脉冲，等待750us，再给SIG端一个高电平就开始计时，超声波传感器模块就产生发射频率为40kHz的超声波，当超声波接收回波时，会把SIG端拉低，再停止计数，如果时间大于115us且小于18.5ms，就为超声波测距工作正确。否则超声波测距出错，就不计算，重新开始发射，再判断。此为超声波传感器模块测距过程。 2.2 单片机C8051F020本系统采用C8051F020来实现对parallax 28015系列超声波传感器模块的控制。单片机控制SIG端来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测，当SIG端由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。然而超声波的传输速度主要受温度影响，因此我们利用单片机C8051F020进行温度补偿，它内部本身就有一个软件编程的温度传感器，因此使电路简洁。2.3液晶显示部分3、理论分析3.1超声波测距的原理超声波测距的原理一般采用渡越时间法。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即其中D为传感器与被测障碍物之间的距离，c为声波在介质中的传输速率。在测距精度不是很高的情况下，一般认为c为常数340m/s。超声波的传播速度主要受空气密度所的影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。温度与超声波的速度之间的近似公式为：开始初始化给一个正脉冲5us 的信号等待750us给信号端高电平等待信号端（sig）= =0算出距离送显示TR1=0；停止计数count=TH1*256+TL1TR1=1定时计数213count350004、软件设计NY5、系统调试 超声波测距仪的制作和调试,中心频率为40kHz,硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改成超声波发生子程序每次发送到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，测距仪能测量的范围为20mm-3000mm，测距仪最大误差不超过5mm。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，不断有话系统使其达到实际使用的测量要求。5.1实验数据处理由于受环境温度、湿度的影响，超声传感器的测量值与实际值总有一些偏差，表1列出了本超声测距系统测量值与对应的实际值：表1超声测距系统测量值与实际值 单位：mm实际距离（mm）实测距离（mm）2020.83030.14040.55053.26062.57070.98080.79089.3100102.5150151.3200200.25.2误差分析 测距误差主要来源于以下几个方面：(1)超声波发射与接收探头与被测点存在一定的角度，这个角度直接影响到测量距离的精确值;(2)超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系，所以实际测量时，不一定是第一个回波的过零点触发;(3)由于工具简陋，实际测量距离也有误差。影响测量误差的因素很多，还包括现场环境干扰、时基脉冲频率等等。6、总结对所要求测量范围30mm-3000mm内的平面物体做了多次测量发现，其最大误差为5mm以内，且重复性好。基于单片机设计的超声波测距系统具有硬件结构简单，工作可靠