简易的超声波测距系统_图文

1、简易的超声波测距系统赵小强1,2(1.天津理工大学机械工程学院,天津300084;2.发泰科技有限公司,天津300402摘要:根据超声波的传播特性,采用555电路产生40kHz 正弦波驱动超声波换能器,通过单片机适时控制外围电路,对超声波在空气中的传播时间进行测量,从而设计了超声波测距系统.本文详细的阐述了超声波测距系统的构成,电路原理,程序设计及温度补偿.关键词:超声波测距;超声波换能器;单片机;温度补偿中图分类号:TP216文献标识码:AS im pli f i ed ultra son i c telem eter syste mZHAO Xiao 2qiang1,2(1.Shool o

2、f Mechanical Engineering,Tianjin University of Technol ogy,Tianjin 300084,China;2.PHAR M 2TECH (TI NJ I N CO.,LT D,Tianjin 300402,China Abstract:According t o the peculiarity of ultras onic trans m itting,using the 555circuit t o bring 40kHz sine wave t o drive the ultras onic transducer,the m icr o

3、p r ocess or contr ol the peri pheral circuits ti m ely,and measure the ti m e that ultras onic trans m it 2ted in air,s o the ultras onic tele meter syste m it designed .This paper expatiates the U ltras onic Tele meter Syste ms composing,the p rinci p le of circuit ,p r ogra m design and the te mp

4、erature compensati on .Key words:ultras onic ranging;ultras onic transducer;m icr op r ocess or;te mperature compensati on超声波是频率大于20kHz 以上的声波,是一种机械震动在媒介中的传播过程,其指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播距离远等特点,而经常用于各种测量,它是一种非接触的检测方式,和激光、红外及无线电测距相比,具有结构简单、价格便宜、在测量过程中不受光线、颜色以及磁场的影响等特点.超声波测距广泛应用在汽车倒车、建筑施工工地、工业现场的位置监控等场合.1超声波测距

5、原理超声波测距通过超声波换能器发射和接收超声波信号来进行距离测量.目前的超声波换能器可以分为两大类:一类是用机械方式产生超声波,一类是用电气式产生超声波.机械方式有液哨、加尔统笛和气流旋笛等;电气方式包括磁致伸缩型、电动型和压电型等122.在超声波测距过程中,超声波换能器发射端得到输出脉冲的一系列方波,同时单片机的定时器开始计时,这些脉冲到达被测目标时,发生反射,经空气传播反射到超声波换能器的接收端.单片机接收到第一个脉冲去触发定时器停止计时,通过单片机检测声波的渡越时间t,根据常温下超声波的传播速度V ,即可得到被测物到发射点的距离S,S =V t /2,通过数码管显示出测试结果.其原理图见

6、图1所示.2系统硬件设计系统硬件结构分为单片机控制超声波的发射、回波的接收放大、温度测量、数据处理和显示四个部分.单片机采用AT MEL 公司生产的低电压、高性能收稿日期:2009204205.基金项目:天津市高等学校科技发展基金(2006BA12.作者:赵小强(1983,男,硕士研究生第26卷第1期2010年2月天津理工大学学报J O URNAL O F T I ANJ I N UN I VERS I T Y O F TECHNOLO GY Vol .26No .1Feb .2010 图1超声波测距原理图F i g .1Sche ma ti c of ultra son i c d ist

7、ance m ea sure m en tC MOS8位机AT 89S52,它具有8kHz 在系统可编程Flash 存储器.使用A t m el 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CP U 和在系统可编程Flash,使得AT89S52单片机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3.2.1超声波发射电路设计在超声波测距系统中,40kHz 的超声波信号是最理想的.因此利用555时基电路产生40kHz 的方波信号,其振荡频率计算公式为f 1.43÷(

8、R 1+2×R 2×C 1,这里R 2采用可调电阻,其目的是为了 制超声波的发射.具体见图2.图2超声波发射电路F i g .2Ultra son i c tran s m itter c i rcu it2.2超声波接收电路设计由于反射回来的超声波信号非常微弱,所以接收电路需要将其进行放大425.接收到的超声波信号先经过电容耦合,然后加到运算放大器NE5532上进行两级放大.采用NE5532不仅因为其频带宽,噪声低,还因为与同类运算放大器相比其共模抑制较大,电源电压抑制比较小,输入偏置电压较小.同时,其工作性能较好,价格便宜.在这里两级放大分别放大100倍,使得总体放大了

9、10000倍.后级采用LM311比较器对接收信号进行调整,比较电压为LM311的3管脚处,可通过调节R 11选择不同的比较电压,调节测量距离的远近见图3.3超声波温度补偿超声波在空气中传播其波速易受湿度、温度、压05天津理工大学学报第26卷第1期度下的超声波速度.图3超声波接收电路F i g.3Ultra son i c rece i ver c i rcu it4软件设计本系统在测距过程中,单片机首先通过DS18B20采集现场的温度,当测距键按下后,测距系统开始执行程序,逐步完成对温度的采集、波速的补偿;超声波的发射、接收的时间间隔的测量;最后通过数据处理程序计算出被测距离,显示到数码管上.

10、本系统软件设计采用模块化设计理念,有主程序、温度测量子程序、距离测量子程序、显示子程序627.在软件设计中考虑到超声波发射传感器和超声波接收传感器相隔很近,当发射超声波时,接收传感器会收到余波信号和其他干扰信号.为了防止系统误测,在软件上才用延时的手段,以提高系统的抗干扰能力.主程序主要用来调用相关子函数,这里不做详细介绍.主要讲述一下温度测量子程序和距离测量子程序.4.1温度测量子程序超声波测距系统上电后,DS18B20就开始检测现场温度,将测量结果显示到数码管上.由于DS18B20是一总线器件,所以在程序设计过程中对时序的要求特别严格,单片机在经过单总线接口访问DS18B20的工作流程必需

11、要遵守严格的操作顺序,如果顺序中任意一步缺少或顺序错乱,DS18B20将不会响应.DS18B20的操作顺序是:第一步:对DS18B20初始化;第二步:发送ROM命令;第三步:发送功能命令.DS18B20软件控制的具体流程见图4.4.2距离测量子程序超声波测距系统通过P2.1端口控制NE555 发图4温度测量子程序F i g.4Te m pera ture m ea sure m en t subrouti n e射40kHz的脉冲,为了得到比较精确的测量结果每一次侧绝要进行4次测量,这四次的测量结果需要经过处理后才可得到最终的测距返回值.每一次测量,发射20个40kHz的脉冲,同时单片机的定时

12、器1启动定时.通过外部中断来识别超声波的回波信号,由于超声波余波的影响,在测距过程中要延时4m s再开启外部中断.这里设置一个超时处理程序,当延时一段时间后,如果外部中断没有响应,重新发射40kHz的脉冲.如果外部中断I N T O被响应时,定时器立刻停止计时.再通过相应程序将温度补偿给波速,从而计算出所测距离.经过四次测量,将最终结果显示到数码管上.具体流程见图5.152010年2月赵小强:简易的超声波测距系统图5距离测量子程序F i g.5D ist ance M ea sure m en t Subrouti n e 5结论本超声波测距系统基本上能满足大部分工程需要,由于其采用了单片机做为控制核心,通过软件编程技术,配合硬件能够满足的系统要求.超声波测距应用广泛,除了应用于管道测量、倒车雷达等场合,在机器人领域也有很好的发展前景.参考文献:1陈桂生.超声换能器设计M.北京:海洋出版社,1984.2袁希光.传感器技术手册M.北京:国防工业出版社,1986.3李茂山.超波测距原理及