文献翻译-高精度超声波测距系统

东北石油大学本科生毕业设计 外文文献翻译 1 高精度超声波测距系统 张平 郭辉 中国 成都 中国电子科技大学 机电工程学院 611731 电子邮件 zhangping3344521 摘 要 超声波很容易传输 并具有良好的反射性 它的速度是远远低于飞行速度 因此 本文设计了一种基于 STC89C52RC 的超声波测距系统 这种系统的有效范 围约为 372 厘米 经过反复试验 测量误差可以小于 1 厘米 因此 本系统可以 应用到智能回避及车辆运输和其他系统 关键词 单片机 超声波发送接收范围 温度补偿 1 简 介 目前 超声波测距的主要方法包括脉冲回波法 相位调制 频率调制和 FFT 为基础的方法 在这些方法中 脉冲回波方法具有良好的适应性 这种方法不仅 可以用于手动测试 也可以用于自动化系统 所以它是国内外最常使用的一种方 法 如今 微波和激光测距的理论也已应用于超声波测距系统 它会成为一个很 好的研究方向 另一方面 回波信号的滤波和分析也受到越来越受到许多专家和 学者的重视 随着对超声波理论的深层理解 我们知道了如何改善的精度和抗干 扰能力将是最重要的性能指标 在本文中 整个系统是用脉冲回波理论来设计的 下面的内容主要分为三个 部分 第一部分描述了该系统的硬件体系结构 第二部分介绍了该系统的软件处 理 第三部分介绍了数据处理的技术 通过本篇文章 读者可以该系统有一个全 面的了解 2 超声波测距的原理系统 考虑到实际项目的要求 我们选择了超声波 其频率为 40kHz 超声波传感 器是一种可以转换声音信号和电信号的装置 也被称为超声波换能器或超声波探 头 在一定的频率范围内 它可以把电信号转换成超声波信号 也可以把外部的 东北石油大学本科生毕业设计 外文文献翻译 2 超声波信号转换成电信号 在本文中 我们选择了 T R40 12 压电超声换能器 它 的工作频率为 40 kHz 外部直径为 12cm 超声波发生器在某一时间发出的超声 波信号 经被测物体反射后被超声波接收器接收 只要我们记录的发送和接收的 时间间隔 就可以计算出测量装置到被测物体间的距离 用于计算距离的公式是 D S 2 V T 2 1 D 是测距装置与被测物体之间的距离 S 是超声波飞行的长度 V 是超声波 的速度 T 是超声波飞行的时间 由于超声波是一种声波 速度可受温度的影响 因此 在本文中 采用了温度补偿的方法提高系统的精度 3 系统的硬件 超声波测距系统的系统框图如图 1 该系统的硬件主要包括单片机 显示电 路 温度补偿电路和超声波的发送和接收电路 被测物 体 超声波 发生器 超声波 接收器 外部电路 单 片 机 LED 显示 屏 温度补偿 电路 图 1 系统方框图 3 13 1 超声波发生电路超声波发生电路 超声波发生器的原理图如图 2 发送电路主要包括逆变器和超声波换能器 首先把单片机 P1 0 端口反转 连接到超声波换能器的一极 然后再次反转 连接 到的超声波换能器的另一极 通过推挽法 我们可以改进超声波的发射强度 并 联逆变器 可以增加驱动能力的输出 用这种方法不仅增加了上拉电阻 R1 和 R2 输出高电平的驱动能力 而且也增加了换能器的阻尼效应 并缩短了其自由震荡 时间 图 2 超声波发生器的电路 3 23 2 超声波接收电路超声波接收电路 超声波接收电路的原理图如图 3 CX20106 的专用集成电路一般用于检测红 东北石油大学本科生毕业设计 外文文献翻译 3 外线 考虑到 CX20106 的承载频率为 38kHz 非常接近超声波的频率 我们设计 的超声波接收电路就是基于 CX20106 芯片制作的 图 3 超声波接收电路 3 33 3 单片机和显示电路单片机和显示电路 该测距系统的核心是 STC89C52RC 单片机通过使用 12MHz 晶体振荡器 以 获得更稳定的时钟频率来减少误差 该单片机的 P1 0 端口输出的是超声波换能器 所需要的 40 kHz 方波 外部中断 0 用于监视返回的信号 而显示设备则用了四 位共阳极 LED 简单实用 段代码通过 74LS245 来驱动 而位代码通过 9012 晶 体管来驱动 原理图如图 4 图 4 单片机和显示电路 3 43 4 温度补偿电路温度补偿电路 在超声波测距系统中 许多因素都可以影响的速度 如环境的干扰 基本脉 冲的频率等 但环境温度是主要因素 根据公式 2 我们可以看到当温度从 0 到 40 之间变化时 超声波的速度从 331 4m s 变为了 354 85m s 室温以 20 为基 数 这时的速度为 343 32m s 其变化率为 6 83 所以温度因素不能被忽略 在 夏季 气温经常超过 40 因此 在超声波测距系统中 有必要用温度补偿来减 少误差 现在大多数的温度监测系统用的是温度传感器 首先 我们要将温度 信号转换成电信号 然后 我们把电信号放大 最后 我们用 A D 转换器把模拟 信号转换成数字信号 这种电路很复杂 并且很容易受到组件参数的影响 由于 这些原因 本文采用 DS18B20 温度传感器和单片机设计这种高精度的温度测量 系统 它可以在一定程度上提高测量的精确度 DS18B20 的 DQ 端口可以直接 连接到单片机的 P3 7 端口 原理图如图 5 东北石油大学本科生毕业设计 外文文献翻译 4 图 5 温度补偿电路 DS18B20 是美国最新的数字温度传感器 它与传统的热敏电阻温度传感器 不同 我们可以直接读取其测得的温度值 根据实际的需求 我们可以通过简 单的编程实现 9 位或 10 位 A D 转换 因此 DS18B20 可以使系统具有更简单 的结构和更高的可靠性 测量温度后 我们用下列公式来修正超声波的速度 V T 331 05 0 607 T m s 2 在上述公式中 T 是环境的摄氏温度 4 系统编程 超声波测距系统的程序 主要包括主程序 超声波发生程序 超声波接收 程序 温度补偿程序和显示程序 一方面 汇编语言是高效方便的语言 另一 方面 测距程序不仅需要复杂的计算 也需要一个精确的结果 所以我们选择 汇编语言来设计这个系统 4 14 1 主程序主程序 主程序首先初始化系统环境 设置定时器 T0 工作模式为 16 位的定时计数 器模式 置位总中断允许位 EA 并给显示端口 P0 和 P2 清 0 使用的 DS18B20 测量出温度值后 用温度补偿程序修改声音速 此时 它开始调用发送程序 为了避免声音从发射器直接传输到接收器 它需要一个约 0 1ms 的延迟 因为 这是可以测量最小距离 然后启用外部中断 0 接收返回信号 由于使用 12MHz 晶体振荡器 定时器增加 1 间隔为 1us 当主程序检测到的标志是成功 的 它根据定时器 T0 开始计算的距离 其结果将被发送到 LED 进行显示 然 后 只需重复此处理 主程序流程图如图 6 所示 东北石油大学本科生毕业设计 外文文献翻译 5 图 6 主程序流程图 4 24 2 发送程序和接收程序发送程序和接收程序 发送程序的作用是通过 P1 0 端口发送两个超声波脉冲 约 40kHz 的方波 脉冲宽度约为 12us 与此同时 定时器 T0 开始计时 本系统利用外部中断 0 检 测回声 一旦接收到回波 引脚 INT0 出现低电平 则立即进入中断程序 然 后停止定时器 T0 并设置成功标志 如果未检测到回波 定时器将溢出 溢出 的定时器 T0 中断将关闭外部中断 0 同时 它会清除成功标志 这意味着 该次测距处理失败 4 34 3 温度补偿程序和显示程序温度补偿程序和显示程序 根据检测到的实时温度 并通过代入公式 2 计算出声音的速度 显示程 序通过查表的方式显示出距离 5 数据处理 不仅电路在处理信号时会产生一个固定的延迟时间 t 而且在单片机处理 收集的信号时也会产生一个固定的延迟时间 t 上述两个过程必然会导致一定 的测量误差 但此系统会修改延迟来减少测距误差 假设 S1 和 S2 是两个固定的距离 t1 t2 分别对应于这两个固定的距离 包括系数 t 因此 S1 和 S2 是实际上对应于时间 t1 t 和 t2 t 也就是说 S1 0 5V t1 t S2 0 5V t2 t 可以计算出 12 2112 t SS tStS 3 东北石油大学本科生毕业设计 外文文献翻译 6 经过多次测量 我们可以计算出系统的延迟 t 根据式 1 我们可确定 测得的距离 该处理可以在一定程度上降低了系统的错误 6 实际测量和分析 测量数据见表 7 表 7 实际测量数据 单位 cm 实验数据表明 超声波测距系统的盲点 超声波传感器可以检测到的最小 距离 为 25cm 最大距离为 372 厘米 在设计程序时 为了避免声波从发射器 直接传输到超声的接收器 该程序有一个 1 4ms 延迟 所以超声波测距系统有 一个最小距离 由于超声波的传播可能造成一定的衰减而且发射功率是有限的 它是很难检测长时间的回波 所以会有最大的可测距离 另一方面 温度补偿 可以提高测量精度 7 结论 在本文中 利用超声波的反射特性 我们设计了这种基于 STC89C52RC 的 测距系统 它非接触式测量的有效范围是从 25 厘米至 372 厘米 当环境变化时 温度补偿电路会提高它的测量精度 修改系统延迟后 可以降低系统延迟的测 量误差并且精度有明显的提高 实验结果证实该系统的硬件和软件都很合理 该测距系统可靠而稳定 它完全能够满足许多高精度的场合 如液位测量 机 器人定位等 实际 距离 5101520253035 显示 距离 25252525263135 实际 距离 350355360365372380385 显示 距离 3513563613663742525 东北石油大学本科生毕业设计 外文文献翻译 7 致 谢 首先 我要感谢 IEEE 提供此模板 其次 我要感谢我的老师郭先生 最后 同样重要的 我们衷心感谢所有提供技术支持的同事 东北石油大学本科生毕业设计 外文文献翻译 8 参考文献 1 王爱珍 基于单片机的超声波测距系统的设计与实现 J 忻州师范学院学 报 2010 26 2 44 46 2 康雅萍 刘震宇 郭鑫等 高精度超声波测距系统的设计 J 实验技术与管 理 2010 27 3 61 64 3 王振江 苏新彦 韩跃平 基于 AT89C51 的高精度超声波测距系统 J 传 感器技术与应用 2010 1