高精度的超声波测距系统

1、高精度的超声波测距系统张平，郭慧机电工程学院，中国电子科技大学成都，611731，中国邮箱：zhangping3344521163.con摘 要超声波易于传输，具有良好的反射性能，它的速度远远低于飞行速度，所以设计了一种基于STC89C52RC的超声波测距系统，该系统可在有关范围内有效372厘米，经过反复试验，测量误差可以小于到1厘米，所以该系统可应用于智能障碍与车辆运输和其他系统。关键词 单片机 超声波 发送 接收 测距 温度补偿1 引言目前，超声波测距的主要方法包括脉冲反射波法、相位调制频率调制和FFT-based方法。在这些方法中，脉冲反射波法具有良好的适应性,这种方法不仅可用于手工测试

2、，而且可结合到自动化系统中。所以它最广泛使用是在家里和船上。目前，微波和激光理论测距已应用于超声波测距系统。它可以是一个很好的研究。另一方面，过滤和分析的回声也可以吸引更多的和许多专家和学者的关注。随着提高超声波理论的理解，我们知道如何提高精度和抗干扰能力将是最重要的性能指标。在本文中，脉冲回波理论是用来整个系统的设计。下面的内容主要是分为三个部分。第一部分介绍该系统的硬件体系结构。第二部分介绍了系统的软件处理。第三部分描述了数据处理技术。在这种情况下，读者可以有一个全面的对系统的理解。2 超声波测距系统的原理 考虑了实际工程的需要，我们选择超声波，频率为40千赫。超声波传感器是这种装置可以感

3、应声音和电力，也被称为超声波换能器、超声波探头。在某些频率范围内，它可以将电信号转换为体外超声信号或改变外部超声信号为电信号。在本文中，我们选择T / r40-12超声压电换能器，它的工作频率40千赫，它的外部直径12cm。超声波发生器发出的超声波信号在一个一定的时间里，超声波信号经过被测对象反射后，超声波接收器能接收信号，只要我们记录发送的时间和接收时间，我们可以计算出从超声波发送地到被测物体的距离。这个距离计算公式为： D=S/2=VxT/2 （1） D是测距装置和测量对象之间的距离S超声波运输距离V是超声波的速度。T是时间，由于超声波一种声波，速度会受温度影响。因此在本文中，它使用的方法

4、为温度补偿发，提高了系统的精度。3 该系统的硬件 超声波测距系统的框图系统图1。硬件部分主要包括单片机系统，显示电路，温度补偿电路和发送和接收超声波电路。图1 本系统的框图A 发送超声波电路 发送超声波原理图2。发送电路主要包括逆变器和超声波换能器。 首先单片机P1.0端口是反向的，一端连接超声波传感器，然后反转，连接到另一个的超声波换能器。通过这个推拉式的方法，我们可以提高超声的发光强度。并联逆变器，我们可以增加输出驱动能力。上拉电阻R1和R2不仅增加输出高电平驱动能力，但同时也增加了超声换能器的阻尼效果，缩短它的自由振荡。图2 发送超声波电路B 接收超声波电路 接收超声原理图3，专用集成电

5、路 CX20106用于检测红外。考虑到CX20106携带频率为38kz这是非常接近超声波频率的，我们设计的接收电路采用CX20106。图3 接收超声波电路C 单片机系统及显示电路 单片机STC89C52RC是本测距系统的核心，通过使用12MHz晶体振荡器来获得一个稳定的时钟频率和减少错误。单片机P1.0端口输出40 kHz的方波由超声波换能器的要求。外部的中断0是用来监测的返回信号。简单实用的四位共阳LED应用为显示电路。这段代码是由74LS245编译，位码是由晶体管9012驱动。如图4所示。图4 单片机系统及显示电路D 温度补偿电路在超声波测距系统，诸多因素可以影响速度，如环境干扰，基准脉冲

6、的频率等但是环境温度是主要因素。根据公式（2），我们可以看到温度从0到40不等，超声波的速度范围从331.4m/s 到354.85m/s。以室温20为基础，速度为343.32m/s，变化率是6.83%。因此温度是不可忽视的因素。在夏季，温度经常超过40。所以在超声测距系统中，它是必要的为了减少误差的温度补偿。现在大多数的温度监控系统采用温度传感器。首先，我们将温度信号转换为电信号，然后放大电信号，然后将模拟信号通过A/D转换器转换为数字信号。这种电路是非常复杂的，容易受到元件参数的影响。由于这些原因，本文采用DS18B20温度传感器和单片机这种高精度的温度测量系统。它可以提高测量的精度有程度上

7、。DS18B20的端口DQ可以直接接于单片机的端口p3.7。该电路图5所示 图5 温度补偿电路DS18B20是美国最新的数字温度传感器。它不同于传统的热敏电阻温度传感器。我们可以直接读取测量温度值。根据实际要求，我们可以实现9或10位A/D转换，通过简单的编程。作为一个结果，DS18B20可以使系统具有结构简单、可靠性高等优点。测量温度后，我们正确的计算超声波波速度为以下公式： V (T) = (331.05+0.607T) (m/s) (2)在上面的公式中，T是环境的摄氏温度（）4 编程系统超声波测距系统的设计主要包括主程序，发送子程序，接收子程序，温度补偿子程序和显示子程序。一方面，汇编语

8、言是有效性和方便性。另一方面，测距程序不仅需要复杂的计算，也需要高度精确的结果。所以我们选择汇编语言设计该系统。A 主程序主程序首先初始化系统环境，为16位定时器模式设置定时器T0，第二设置总中断允许位EA，然后初始化显示端口P0和P2。在利用DS18B20测量温度值时，该温度补偿子程序修改声音的速度。在这个时候，它就开始调用发送子程序。为了避免发射机到接收机的直接传输，它需要一个约为0.1ms的延时（这是可以测量最小距离的原因），然后使外部中断0接收返回信号。由于使用12MHz晶体振荡器，定时器的增加1，间隔1us，当主程序检测到的标志是成功的，它开始根据定时器T0计算出距离，结果将被送到L

9、ED显示，然后重复这个处理。主程序流程图如图6所示。 图6 主程序流程图B 发送和接收子程序发送子程序发送约2个超声脉冲在P1.0端口（约40kHz方波），脉冲宽度约为12us。同时，该定时器T0开始计时。该系统利用了外部中断0检测回波。一旦收到回声（销INT0出现低水平），立即进入中断程序，然后停止定时器T0和设置成功的标志。如果回声尚未检测当定时器溢出，定时器T0中断将关闭外部中断0。同时，它清除成功的标志。这意味着此范围的处理是不成功的。C 温度补偿子程序和显示子程序根据实时温度检测，它代入公式（2）计算出声音的速度，显示程序显示通过查表显示距离。5 数据处理不仅处理电路信号会产生一个固

10、定的延迟T，而且处理单片机采集信号也会产生固定延迟T，以上过程必然导一些测量误差，但该系统修改延迟减少测距误差。假设S1和S2是两个固定的距离。T1和T2分别是两个对应的固定的距离（包括T因子）。所以S1和S2实际上对应时间T1-T和T2-T，即S1 = 0.5V（T1-T），S2 = 0.5V（T2-T），它可以计 （3）经过多次测量，我们可以计算系统延迟T。根据公式（1），我们可确定测量距离。这种处理在一定程度上可以减少系统误差。6 实际测量和分析测量数据如表7所示。表7 实际测量的数据（单位：厘米）实际距离5101520253035显示距离25252525263135实际距离350355

11、360365370375380显示距离3513563613663742525实验数据表明：超声波测距系统（最小距离超声波传感器可以检测）的盲点为25。最大的距离372cm。在设计程序，以避免从超声波的直接传输发射机到接收机，该程序有一个延迟1.4ms，所以超声波测距系统具有至少包括距离。由于超声波的传播造成一定的衰减和发射功率是有限的，它很难检测到长期的回声。于是就有了最大测量距离。在另一方面，温度补偿是可以提高精度的测量。7 结论在本文中，利用超声波的反射特征。我们做了的这种基于STC89C52RC测距系统。它的有效范围从25到372cm的非接触测量。一旦环境温度的变化，它提高了温度补偿电路

12、的系统测量精度。修改后的系统延迟，它可以降低系统并且对系统精度有明显改善。结果验证了包括硬件和软件的系统的合理性，这个测距系统是可靠的，稳定的。它是完全能够满足一些高精度的场合，如水平测量，机器人定位等。致谢首先，我要感谢IEEE提供这个模板，其次，我要感谢我的导师郭先生，最后但并非最不重要的，我们衷心感谢事先提供技术支持的所有同事。参考文献1 WANG AI ZH. Design and reality of ultrasonic ranging system base on the microcontrollerJ. Journal of Xinzhou Teachers Universi

13、ty, 2010,26(2): 44-46.2 KANG Y P, LIU ZH Y, GUO X, et al. Design of high-precision ultrasonic wave ranging systemJ. Experimental Technology and Management, 2010, 27(3): 61-64.3 WANG ZH J, SU X Y, HAN Y P. Ultrasonic distance measurement system with high precision based on AT89C51 microprocessorJ. Sensor Technology & Applocation, 2010(1): 21-24. 4 HAN L R. A survey of methods for improving ultrasonic ran