超声波测距 设计

1、摘    要 本文提出了一种适用于可移动智能机器人定位、测障及简单形体识别的实时、高精度超声测距处理方法。介绍了以单片机实现该方法的超声测距系统，系统由AT89C2051单片机、超声波发射电路、超声波接收放大电路、环境温度采集电路及显示电路组成。 利用微处理机控制单元(MCU microprocessor control unit)控制的超声测距仪的原理：由MCU控制时间计数，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。并且在数据处理中采用了温度补偿和修正量的调整。此系统具有易控制、工作可靠、测距准确度高和流程清晰等优点。关键词：超声波

2、；测距；换能器；单片机；温度补偿目    录1 引言 12 超声波测距原理 12.1 超声波 12.2 超声波传感器 22.3 测距原理 22.4 温度补偿 33 AT89C2051的功能特点 43.1 主要性能参数 43.2 功能特性概述 41 引言 利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20kHz以上的机械波)，借助空气媒质传播，由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反

3、射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。 超声波是由机械振动产生的，可在不同介质中以不同的速度传播。而且超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测。并且超声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点，超声波传感器可广泛应用于非接触式检测方法，因而人类采用仿真技能利用超声波测距 1 。 迄今为止，国内外许多学者均着眼于超声应用学测距的研究。与其它方法相比，它不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境中(如含粉尘时)具有一定的适应能力；在近距范围内超声测距有其不受光线影响、结构简单、成本低等特点。因此在液位测量、机械手控制、车辆自

4、动导航、物体识别等方面有广泛应用。 目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高。而且没有显示，操作使用很不方便。本文介绍一种以AT89C2051或GSM97C2051单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法 7 。实际使用证明该测距仪工作稳定，性能良好。2 超声波测距原理2.1 超声波 与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播我们知道，电磁波的传播速度为，而超声波在空气中的传播速度为340m/s左右，其速度相对电磁波是非常慢的。超声波在相同的传播媒体里(大气条件)传播速度相同，即

5、在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波是类似的：（1）（2）式中，为振幅，为常数，为圆频率，t为时间，为传播距离，为波数，为波长，为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为： （3）式中，为介质常数，为振动频率。在空气里，,当振动的声波频率=40kHz(超声波)代入式(3)可得，即1/a=31m；若=30 kHz，则1/a=56m。它的物理意义是：声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗。在(1/a)长度上，平面声波的振幅衰减为原来的e分之一

6、，由此可以看出，频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。考虑实际工程测量要求，在设计超声波测距仪时，我们通常选用频率=40kHz的超声波 2 ，波长为0.85cm。2.2 超声波传感器 人们为研究和应用超声波，已设计并制成了许多类型的超声波发生器：可归类为机械方式和电气方式。实质上，超声波发生器即是超声波换能器 3 ：它将其它形式的能量转换成超声波的能量(由发射换能器来完成)和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量(由接收换能器来完成)。一般是用电能和超声能量相互转换。电气方式类型包括：压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械式方式有气流旋笛、液哨和加尔统笛等。各种类型产生的超声波的功率

7、、频率和声波特性都不相同。目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体等。 这里选用的是压电型超声波传感器T40-12(发射管)和R40-12(接收管)。 压电型超声波传感器的工作原理：它是借助压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应 8 。其结构原理如图1(a)所示。         图1 超声波传感器结构原理框图说明 超声波传感器有两块压电晶片和一块共振板。当它的两电极加脉冲信号(触发脉冲，

8、脉冲信号越尖越好，电压越高，功率越大，距离越远)，若其频率等于晶片的固有频率时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。图1(b)为超声波传感器等效电路。2.3 测距原理 超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等 12 。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响。本仪器采用超声波渡越时间射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波

9、传输的距离 9 。考虑实际情况，采用异地脉冲反射式来测距，即需测距离是声波传输距离的一半：（4）式中，L为待测距离，为超声波的声速，t为渡越时间。由下式计算测量误差:（5）式中,为测距误差，为声速，为时间测量误差，为声速误差。若要求测距误差小于0.01m，已知声速为344ms(20时)，忽略声速误差，那么测量时间的误差: （6）显然，直接用秒表测时间是不现实的。因此，实现声波测距必须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精度。这里利用单片机定时器计数的方法，间接测量时间，可以把声波传播的时间精度提高到所需的准确度。也就是把对渡越时间的测量转化为对计数脉冲个数N的测量，所以式(4)

10、可写为:（7）式中，S为等效标尺，为计数脉冲的频率，为声速。所以:（8）式中，为晶体振荡器频率 13 ，这里用的是的晶体振荡器，可测得时间为，可见此方法完全合乎要求。2.4 温度补偿 由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关。表l列出了几种不同温度下的声速。声速确定后，只要测得超声波往返的时间。即可求得距离。表1 声速与温度关系表温度（） -30 -20 -10 0 10 20 30 100 声速（米/秒） 313 319 325 332 33

11、8 344 349 386  常温常压下，空气近似为理想气体。超声波在理想气体中传播速度为： ，式中为气体摩尔质量；为气体的比热比；R为气体常数；T为热力学温度 10 。对于一定的气体、为定值。由公式可知：声速与热力学温度的平方根成正比。温度越高声速越大，温度越低声速越小。0 时，空气中声速的实验值为331.45 ms，空气中声速表达式为:（9）由实验分析得距离计算公式为: (10)式中 N 为计数个数；为参考频率；为摄氏温度；为距离。3 AT89C2051的功能特点 AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS

12、 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比高的应用场合。3.1 主要性能参数与MCS-51产品指令系统完全兼容2k字节可重复擦写闪速存储器1000次擦写周期2.7-6V的工作电压范围全静态操作：0Hz-24MHz两级加密程序存储器128×8字节内部RAM15个可编程I/O口线两个16位定时/计数器6个中断源可编程串行UART通道

13、可直接驱动LED的输出端口内置一个模拟比较器                       图3  AT89C2051功能管脚图低功耗空闲和掉电模式3.2 功能特性概述 AT89C2051提供以下标准功能：2k字节可重复擦写闪速存储器，128字节内部RAM，15个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个双工串行通信口，内置一个精密比较器

14、，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C2051可降低至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。+125，在-10+85范围内,精度为±0.5。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。

15、DS18B20、 DS1822:的特性 DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为±0.5微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。 (2)在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。 (3)连接

16、DS1820的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。 (4)在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在

17、进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。5 系统软件设计 AT89C2051单片机和其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、表选方式灵活、可进行结构化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等诸多优点 5 。本系统软件部分与硬件系统配合完成对超声波往返时间的测量，根据在一定温度下超声波的传播速度计算测量的距离，送往数码管显示出测量结果。为了使仪器的适应性强、功能更稳定、软件系统的移植性能更好，系统采用汇编语言来编写程序 6 。 为了便于调试，本系统应用软件设计采用模块化结构设计，其主要程序模块为：（1）系统初始化及主程序模块(含温度

18、补偿程序)；（2）脉冲信号发射模块；（3）距离计算模块；（4）回波接收模块。5.1 系统初始化及主程序模块 系统初始化主要是设置两定时器的工作方式：定时器T0为方式1，T1为方式2，并分别给TH0/TH1，TL0/TH1赋初值；T1用来产生40kHz的脉冲信号；T0用来计算距离；外部中断INT0用来接收回波信号。 在初始化中，关闭外部中断INT0，开启定时器T1发出10个脉冲群，同时开启定时器T0开始计算距离。 用智能温度控制器DS18B20来给系统补偿温度，测出当时的环境温度，并算出T1中的TH1对应值，修改TH1。应用到T0中计算距离，即可得到温度补偿。

19、60;重复的调用显示子程序，以便随时刷新当前的测量距离。 然后系统重复测温和显示，直至中断信号的来临5.2 脉冲信号发射模块 图10 40kHz脉冲信号产生框图 系统采用24MHz晶体振荡器,定时器T1工作在方式2，用其自动赋值功能，系统可以直接由单片机的P3.7输出精确的40kHz脉冲，其脉冲宽度为25Os，载波为40kHz的10个脉冲群。 由于超声波的发射探头T发出的超声波一部分会直接传送到超声波的接收探头R中，从而产生错误的判断(这将在第6章的问题及解决方案中详细阐述)；为了避免这一错误的产生，在开始发出信号时，必须关闭外部中断INT0；当发射完毕时，开启外

20、部中断INT0，同时还要先清掉外部中断的请求标志IE0，这又是因为在关闭了外部中断的情况下，中断信号还是会产生的，请求标志仍然存在，只有清除了该标志位，才能避免系统对该中断请求的响应。5.3 回波接收模块 用外部中断INT0来接受发射回波，这样可以及时的接收信号，并做出处理；要是采用查询的方式，系统可能要等上5-6ms才能查询到,这样超声波也就多走了1-2m的路程了，精度将大打折扣，甚至有时就是错误的结果。但用中断就是比较麻烦一些，比如，已经关掉了中断，但是在有中断信号时，其中断标志位IE0还会产生，在退出中断子程序后，系统仍会执行此中断请求，但是在采集信号前先清掉此标志位，这个问题

21、也就迎刃而解了。图11 信号处理子程序框图 在进入中断子程序时，先关闭中断，同时关闭定时器T0，读取其算出的距离值，并且保存起来，当读取了4次距离值时，去掉其最高和最低的值，然后求出平均值，并送往显示缓冲区，以便于刷新显示。在返回前，清掉请求标志位IE0，在开启T1、T0，开始下一次的测量。5.4 距离计算模块图12 测算距离子程序框图 定时器T0用来计算超声波所走的距离。产生一次中断，则代表超声波已经行程0.2米，此时得出的距离值为0.1米，依此类推，T0中断n次，则测得距离值为n×0.1m；当INT0接收到回波时，关闭T0，再读取数据时，此数据即为测得的距离值

22、。6 设计中遇到的问题及其解决方案6.1 发射超声波的探头直接对接收超声波的探头的影响 发射超声波的探头T发出的超声波一部分直接传送到接收超声波的探头R中，其波形图如图13所示 11 。 图13(a)为发出的脉冲信号；图13(b)为接收管接收到的回波信号；图13(c)为实际上我们所需要的回波信号。 图13(b)中所示的波形 ，此波形为干扰信号，这里要想办法屏蔽波形 。                

23、0;                        图13 波形图 从图13(b)中知道波形的信号比波形来的晚一些，且波形的信号只在发射管发射的时候才有，在10个脉冲群发射完毕之后，则没有了此信号，从而我们在这之后再接收回波信号，也就起到了隔离此干扰信号的效果。 计算验证：10个脉冲信号的脉冲宽度为25Os，超声波所走的路程大约在8cm左右，即使返

24、回，则其距离也就在4cm左右，还不到5个厘米，这远远小于我们的精度要求10个厘米。即证得此屏蔽方法可行。6.2 超声波的传播速度随着温度的变化而变化 在超声波的两个探头旁边放置温度传感器DS18B20，测出超声波所处的环境温度T，将T送入单片机中，求出对应的声速。 空气中声速表达式为:（9）由实验分析得距离计算公式为:. (10)式中 N 为计数个数；为参考频率；为摄氏温度；为距离。 根据上面的公式，算出对应温度的速度值，然后求出对应的TH1值，之后列出TH1-温度的对应数据表，利用查 附录（子程序）系统初始化： MAIN: MOV&

25、#160;TMOD,#21H   MOV TH0,#0F6H   MOV TL0,#0EAH   SETB TR0   SETB ET0   MOV TH1,#0E7H   MOV TL1,#0E7H   MOV R5,#14H   SETB TR1  

26、60;SETB ET1   SETB IT0    置1，下降缘触发   SETB EA       MOV P1,#0FFH   MOV P3,#0FFH   MOV 7AH,#00H  显示缓存寄存器   MOV 7BH,#00H  &

27、#160;MOV 7CH,#00H   MOV 7DH,#00H   MOV 7FH,#00H  用于消影判断显示子程序： DISP: MOV A,7DH   显示百位   JNZ  XSBW   判断百位是否为零   MOV 7FH,#00H   AJMP SW

28、60;   百位为零消隐 XSBW: MOV 7FH,#01H  正常显示   SWAP A   ORL A,#07H   MOV P1,A   ACALL DELAY  SW: MOV A,7CH   显示十位   JNZ  XSSW&#

29、160;  判断十位是否为零   MOV A,7FHbsp;XSGW   当百位为零时消隐 XSSW: SWAP A    正常显示   ORL A,#0BH   MOV P1,A   ACALL DELAY  XSGW: MOV A,7BH   显

30、示十位   SWAP A   ORL A,#0DH   MOV P1,A   ACALL DELAY      MOV A,7AH   显示小数   SWAP A   ORL A,#0EH   MOV P1,A 

31、;  ACALL DELAY       RET   超声波发射子程序： TIMER1:CPL P3.7   发射10个40K脉冲信号   DJNZ R5,FH_T1   CLR TR1   CLR IE0    清外部中断0标志位  &#

32、160;SETB EX0   开外部中断0 FH_T1: RETI 回波接收处理子程序： TT0: PUSH ACC   PUSH PSW   CLR TR0   关定时器T0   CLR EX0   关外部中断0   ACALL DISP   刷新

33、显示   ACALL DISP   刷新显示   MOV 7AH,70H   MOV 7BH,71H   MOV 7CH,72H   MOV 7DH,73H      MOV 70H,#00H   MOV 71H,#00H   M

34、OV 72H,#00H   MOV 73H,#00H   MOV TH0,#0F6H   MOV TL0,#0EAH   MOV TL1, TH1      SETB TR0   MOV R5,#14H   SETB TR1   重新发射10个脉冲波

35、  CLR IE0    清外部中断0标志位  SETB EX0   开外部中断0 FH_TT0:POP PSW   POP ACC   RETI   距离计算子程序： TIMER:PUSH ACC   PUSH PSW   MOV TH0,#0F6H   MOV TL0,#0F1H      INC  70H   INC  70H   MOV A,70H   CJNE A,#0AH,FH   MOV 70H,#00H