電子設(shè)計應(yīng)用超聲波測距儀的設(shè)計

1、超聲波測距儀的設(shè)計摘要：電子測距儀要求測量范圍在0.105.00m，測量精度1cm，測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。超聲波測距器，可以應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于液位、井深、管道長度的測量等場合。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。該測距儀采用NE555電路、兩級放大電路和電平比較電路實現(xiàn)了超聲

2、波的發(fā)射與接收。單片機為該測距儀的核心單元，實現(xiàn)發(fā)射電路的控制和接收數(shù)據(jù)的處理。本系統(tǒng)在10200cm的距離內(nèi)測量精度可達0.5cm，并且易于調(diào)試，成本低廉，具有很強的實用價值和良好的市場前景。 關(guān)鍵字：超聲波傳感器，測距儀，PIC16F876AAbstract：Ultrasonic Ranging, can be used in car reversing, the construction site and the location of some industrial site monitoring, can also be used if the level, depth and le

3、ngth of the pipeline, such as measurement occasions. Measurement of the requirements in the 0.10-5.00 m, precision 1 cm, with the measurement of detected objects without direct contact, being able to clearly show stable measurement results. Because of the strong point of ultrasonic energy consumptio

4、n slow, medium of communication in the longer distance, thus frequently used ultrasonic distance measurement, such as the range finder and level measurement and so on can be achieved by ultrasound. Use of ultrasonic testing is often more rapid, convenient and simple terms, easy to achieve real-time

5、control, and measurement accuracy can meet the practical requirements of industry, in the mobile robot has been developed on a wide range of applications.The range finder only NE555 circuit， two amplifier circuit and the level achieved a comparison of launching and receiving ultrasound. SCM range fi

6、nder for the core elements for launching the circuit control and receive data processing. 10-200 cm in the system of distance measurement accuracy up to 0.5cm， and easy to debug， low-cost， with strong practical value and good market prospects.Keywords: Ultrasonic sensors, range finder, PIC16F876A目 錄

7、一、系統(tǒng)方案比較與選擇4方案一：利用分立模塊的超聲波測距儀4方案二：基于PIC16F876A單片機的超聲波測距儀4二、理論分析與計算61、測量與控制方法62、理論計算6三、電路與程序設(shè)計71、檢測與驅(qū)動電路設(shè)計72、總體電路圖123、軟件設(shè)計與工作流程圖14四、系統(tǒng)調(diào)試151 超聲波測距誤差分析152 提高精度的方案及系統(tǒng)設(shè)計163、測量結(jié)果18五、創(chuàng)新發(fā)揮19六、設(shè)計結(jié)論20一、系統(tǒng)方案比較與選擇 方案一：利用分立模塊的超聲波測距儀系統(tǒng)包括超聲波測距模組、LED數(shù)碼顯示模組、驅(qū)動模組控制模組及電源五部分。超聲波測距模塊主要由發(fā)射部分和接收部分組成，超聲波的發(fā)射受主控制器控制（如圖1所示）；超

8、聲波換能器諧振在40KHz的頻率，模塊上帶有40KHz方波產(chǎn)生電路。顯示模塊是一個8位段數(shù)碼顯示的LCD；測量結(jié)果的顯示用到三位數(shù)字段碼，格式為X點XX米，同時還用兩位數(shù)字段碼顯示數(shù)據(jù)的個數(shù)。電源采用9V的DC電源輸入，經(jīng)穩(wěn)壓管后得出5V以及3.3V的電源供系統(tǒng)各部分電路使用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1 超聲波測距模塊組硬件框圖優(yōu)點：具有歷史數(shù)據(jù)存儲功能、出錯管理功能。缺點：能測的最小距離比較長，不能實現(xiàn)雙向測距，電路復(fù)雜性能穩(wěn)定性不高。方案二：基于PIC16F876A單片機的超聲波測距儀超聲波測距儀主要以單片機PIC16F876A為核心，其發(fā)射器是利用壓電晶體的諧振帶動周圍空氣振動來工作的.超聲波發(fā)射器向

9、某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時 ，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計時。一般情況下，超聲波在空氣中的傳播速度為340m/ s，根據(jù)計時器記錄的時間t ，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 s，即s=340t/2， 這就是常用的時差法測距。在測距計數(shù)電路設(shè)計中，采用了相關(guān)計數(shù)法，其主要原理是：測量時單片機系統(tǒng)先給發(fā)射電路提供脈沖信號，單片機計數(shù)器處于等待狀態(tài)，不計數(shù)；當(dāng)信號發(fā)射一段時間后，由單片機發(fā)出信號使系統(tǒng)關(guān)閉發(fā)射信號，計數(shù)器開始計數(shù)，實現(xiàn)起始時的同步;當(dāng)接收信號的最后一個脈沖到來后，計數(shù)器停止計數(shù)。雙向超聲波測距儀的系統(tǒng)主要有幾下部

10、分組成（如圖2所示）： LED顯示模塊，PIC16F876A芯片，超聲波發(fā)射模塊，超聲波接收模塊，電源模塊等五大模塊組成。圖2 系統(tǒng)設(shè)計總體框圖優(yōu)點：雙向測距，精度高，功耗低。在電路中我們采用PIC芯片它的優(yōu)點是：精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高；徹底的保密性；其引腳具有防瞬態(tài)能力，通過限流電阻可以接至220V交流電源，可直接與繼電器控制電路相連，無須光電耦合器隔離，給應(yīng)用帶來極大方便?；谏鲜鰞煞N方案的比較，方案一，測量盲區(qū)較長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且穩(wěn)定性不高。方案二，能進行雙向測距，精度高，功耗低，模塊簡單，穩(wěn)定性高。所以選用方案二。二、理論分析與計算1、測量與控制方法聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)

11、聲波受到尺寸大于其波長的目標(biāo)物體阻擋時就會發(fā)生反射；反射波稱為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達目標(biāo)然后返回聲源的時間可以測量得到，從聲波到目標(biāo)的距離就可以精確地計算出來。這就是本系統(tǒng)的測量原理。超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)由于此超聲波測距儀可以實現(xiàn)雙向測距，所以需進行測距選擇，而這個測距選擇就以自動選擇功能來實現(xiàn)。2、理論計算圖4 測距的原理如圖4所示為反射時間法，是利用檢測聲波發(fā)出到接收到被測物反射回波的時間來測量距離其原理如圖所示，對于距離較短和要求不高的場合我們可認為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過測量回波時間T利用公式S=C*(T/2)

12、其中，S為被測距離、V為空氣中聲速、T為回波時間（T=T1+T2），可以計算出路程，這種方法不受聲波強度的影響，直接耦合信號的影響也可以通過設(shè)置“時間門”來加以克服。這樣可以求出距離：S=C(T1-T2)/2本次設(shè)計是用555時基電路振蕩產(chǎn)生40Hz的超聲波信號。其振蕩頻率計算公式如下：f=1.43/(R9+2*R10)*C5)三、電路與程序設(shè)計1、檢測與驅(qū)動電路設(shè)計A、器件選擇：本系統(tǒng)在設(shè)計過程中主要選取了以下一些器件：1.PIC16F876A：測距儀的核心單片機2.HEF4052B：雙4通道的模擬選擇器/分配器3.NE5532P：雙低噪聲運算放大器4.發(fā)射探頭R40-165.接受探頭T40

13、6.電位器53327.變壓器B、芯片介紹：PIC16F876A：28引腳器件有3個I/O端口，而40/44-pin裝置有5。28引腳器件有14中斷，而該裝置有40/44-pin 15。28引腳器件有5個A / D輸入渠道，而40/44-pin裝置有8。其引腳圖如圖5所示。圖5 PIC16F879A系列引腳圖NE5532P：1引腳A放大器輸出，2引腳A放大器反相輸入端，3引腳A放大器同相輸入，4引腳負電源，5引腳B放大器同相輸入端，6引腳B放大器反相輸入端，7引腳B放大器輸出，8引腳正電源。其引腳圖如圖5所示。圖6 NE5532P引腳圖HEF4052B：HEF4052B是雙4通道的模擬選擇器/分

14、配器，即可作為從4路的輸入信號中選擇一路作為輸出的選擇器 ，也可作為將一路輸入信號分配到4路輸出通道中的一路輸出的分配器。通道之間是雙向的。IC內(nèi)置的譯碼器有4個間接的模擬開關(guān)輸出，對2*4個通道進行選擇/分配。MT#用作對AV1，AV2/DVD(共用),YPRPB/VGA（共用），TV四路伴音信號的選擇。其引腳圖如圖6所示。1腳、2腳、4腳、5腳的Y0B to Y3B和11腳、12腳、14腳、15腳的Y0A to Y3A為獨立的輸入/輸出通道；9腳A1、10腳A0為地址輸入（選擇端）；6腳E為使能端（低電平有效）；3腳ZB、13腳ZA為公用的輸入/輸出通道；7腳VEE為輸入/輸出信號的下限值

15、；8腳VSS為接地端；16腳VDD為供電端。其引腳圖如圖7所示。圖7 HEF4052B引腳圖以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。C、發(fā)射電路原理：圖8 發(fā)射電路原理 由圖9所示發(fā)射部分由高頻振蕩器、單脈沖發(fā)生器、編碼調(diào)制器、功率放大器及超聲換能器組成。 單脈沖發(fā)生器在振蕩器的每個周期

16、內(nèi)都被觸發(fā)，產(chǎn)生固定脈寬的脈沖序列，來自單片機的編碼信號對脈沖序列進行編碼調(diào)制，經(jīng)功率放大后，通過超聲換能器發(fā)射超聲波。圖9 發(fā)射電路組成圖由555型電路組成多諧振蕩器，它的振蕩頻率為40kHz。RPI用來校準振蕩頻率。多諧振蕩器產(chǎn)生的40kHz的脈沖由3腳輸出，經(jīng)D1、D2兩級緩沖、整形后，通過超聲波發(fā)射器UCM40-T向外發(fā)射。D、接收電路原理：圖10 接收電路原理本電路包括超聲波接收頭，電壓器、檢波電路和單穩(wěn)態(tài)延時電路，如圖11所示。超聲波接收頭 UCM4a-R將運動物體反射的超聲波接收并轉(zhuǎn)換為電脈沖信號后，由R5、C4組成的高頻濾波電路濾除干擾脈沖后，經(jīng)RP2分壓調(diào)節(jié)，由C5、R6藕合

17、至電壓放大器進行電壓放大。RP2兼作超聲波接收頭的負載與接收靈敏度的調(diào)節(jié)電位器。圖11 接收電路組成圖E、穩(wěn)壓電源在各種電子設(shè)備中，直流穩(wěn)壓電源是必不可少的組成部分，它是電子設(shè)備唯一的能量來源，穩(wěn)壓電源的主要任務(wù)是將50Hz的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓和電流，從而滿足負載的需要，直流穩(wěn)壓電源一般由整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)組成。其電路圖如圖11所示。其中，變壓器將交流電源（220V/50Hz）變換位符合整流電路所需要的交流電壓；整流電路是具有但方向?qū)щ娦阅艿恼髌骷?，將交流電壓整流成單方向脈動的直流電壓；濾波電路濾去單向脈動直流電壓中的交流部分，保留直流成分，盡可能供給負載平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電

18、路是一種自動調(diào)節(jié)電路，在交流電源電壓波動或負載變化時，通過此電路使直流輸出電壓穩(wěn)定。F、顯示電路原理 超聲波測距儀顯示模塊如圖12所示。通過單片機的15、16、17三個管腳的信號控制三個三極管的B級，利用三極管的開關(guān)特性，實現(xiàn)數(shù)碼管的點亮，從而實現(xiàn)動態(tài)顯示。圖12 顯示模塊采用LED動態(tài)顯示，數(shù)據(jù)經(jīng)過PIC芯片的計算后傳到LED上，顯示精度是厘米。2、總體電路圖 本系統(tǒng)采用雙向測距，通過雙向收發(fā)來實現(xiàn)，兩方發(fā)送分別由082D和NE5534P兩個運放來控制，將信號放大由超聲波傳感器發(fā)送；再經(jīng)過超聲波傳感器接收，由變壓器進行耦合經(jīng)三極管放大，將左右（分別由紅綠兩盞燈區(qū)分）兩組數(shù)據(jù)送入CD4052數(shù)

19、據(jù)選擇器進行數(shù)據(jù)選擇，選出信號強（測量距離近）的那個信號送入PIC主芯片，再由PIC進行處理將結(jié)果送到數(shù)碼管顯示。其總體電路圖如圖13所示。圖13 超聲波測距儀總體電路圖3、軟件設(shè)計與工作流程圖超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。程序流程如圖14所示：圖14 軟件設(shè)計流程框圖其工作流程是：上電后首先對系統(tǒng)

20、進行初始化，緊接著調(diào)用顯示子程序，顯示完后判斷有沒有超聲波被接收，若有，則停止計時并將計時值送入距離計算子程序，然后將所測距離顯示1秒，最后返回進行下一輪液位測量，若沒有信號進來，則繼續(xù)調(diào)用顯示子程序。其流程圖如圖15所示。圖15 工作流程圖四、系統(tǒng)調(diào)試超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用15的超聲波換能器TCT40-10F1（T發(fā)射）和TCT40-10S1（R接收），中心頻率為40kHz，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距48cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電

21、容C4的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.105.0m，測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。1 超聲波測距誤差分析 1、發(fā)射接收時間對測量精度的影響分析 采用 TR40 壓電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機控制，發(fā)射頻率 40KHz ，忽略脈沖電路硬件產(chǎn)生的延時，可知由軟件生成的起始時間對于

22、一般要求的精度是可靠的。對于接收到的回波，超聲波在空氣介質(zhì)的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。 設(shè)測量設(shè)備基準面距被測物距離為h，則空氣中傳播的超聲波波動方程為：由以上公式可知，超聲波在傳播過程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。 經(jīng)以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過程中衰減很大，收到的回波信號可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個回波確定準確的接受時間，必須對收到的信號進行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時間，會對超聲波測量精度產(chǎn)生影響。 2、當(dāng)?shù)芈曀賹y量精度的影響分析 當(dāng)?shù)芈曀賹Τ暡y距測量精度的影響遠遠要比收發(fā)時間的影響嚴重。超聲波

23、在大氣中傳播的速度受介質(zhì)氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響，即： 由上式知，在空氣中，當(dāng)?shù)芈曀僦粵Q定于氣體的溫度，因此獲得準確的當(dāng)?shù)貧鉁乜梢杂行У奶岣叱暡y距時的測量精度。工程上常用的由氣溫估算當(dāng)?shù)芈曀俚墓饺缦拢?式中C0=331.4m/s ； T為絕對溫度，單位K 。 此公式一般能為聲速的換算提供較為準確的結(jié)果。實際情況下，溫度每上升或者下降 1oC, 聲速將增加或者減少 0.607m /s ，這個影響對于較高精度的測量是相當(dāng)嚴重的。因此提高超聲波測量精度的重中之重就是獲得準確的當(dāng)?shù)芈曀佟?2 提高精度的方案及系統(tǒng)設(shè)計 （1）溫度校正的方法提高測距精度 由上述的誤差分析知，如果能夠知道

24、當(dāng)?shù)販囟?，則可根據(jù)公式 求出當(dāng)?shù)芈曀?，從而能夠獲得較高的測量精度。而問題的關(guān)鍵在于獲得溫度數(shù)據(jù)的方法。采用熱敏電阻、熱電耦、集成溫度傳感器都可以獲得較為準確的溫度值。 為了便于對溫度信號的數(shù)據(jù)采集及處理，我們采用 DALASS 公司生產(chǎn)的 DS18B20 集成溫度傳感器。 DS18B20 采用了 DALASS 公司的 1-WIRE 總線專利技術(shù)，能夠僅在占用控制器一個 I/O 口的情況下工作（芯片可由數(shù)據(jù)線供電），極大的方便了使用者的調(diào)試使用，而且其在 10oC 85oC 的工作環(huán)境下可以保持 0.5% 的使用精度，在這個空間內(nèi)足以保證為超聲波測距設(shè)備提供足夠的精度范圍。 通過 DS18B20

25、 芯片獲得的數(shù)據(jù)信號經(jīng)由 1-WIRE 總線傳至 MCU ，由軟件進行聲速換算。為了更好的實現(xiàn)換算過程同時兼顧設(shè)備的使用成本，我們采用宏晶公司的最新推出的 STC12C5410 單片機實現(xiàn)超聲波測距的各項功能。 STC12C5410 采用了低成本、低功耗、強抗干擾設(shè)計，并且在最高支持 48MHz 的前提下能夠?qū)崿F(xiàn) 1 個時鐘 / 機械周期的運行速度。由于能夠使用高頻率的晶振，因此相對于普通單片機來說可以有效的減少由計時問題帶來的量化誤差，能夠滿足較高精度超聲波測距儀的設(shè)計要求。 （2）標(biāo)桿校正的方法提高測距精度 在復(fù)雜環(huán)境下，如果難于獲得環(huán)境溫度，或者不便獲得環(huán)境溫度時，如果仍舊要求較高的測量

26、精度，我們采用所謂標(biāo)桿校正的方法實現(xiàn)超聲波測距精度的校正。標(biāo)桿校正的示意圖如圖15 所示。圖16 標(biāo)桿校正的示意圖超聲波測距裝置首先測量距離已知為 h 的基平面（標(biāo)桿）聲波往返所用的時間，而后由測得的時間和距離 h 根據(jù)公式 求出當(dāng)?shù)芈曀佟Ｍㄟ^這樣的方法，我們也能夠順利的求出聲速，省去了使用傳感器測量溫度所帶來的麻煩。因此，只用為測距設(shè)備設(shè)定“標(biāo)定”和“測量”兩種狀態(tài)，即能夠?qū)崿F(xiàn)溫度校正所能實現(xiàn)的高精度測距功能。3、測量結(jié)果按照設(shè)計的硬件電路和軟件，做成成品，調(diào)試好后，對系統(tǒng)進行測試，測試數(shù)據(jù)如表1和表2所示。其中表1為左邊測距數(shù)據(jù)（綠燈亮?xí)r），表2為右邊測距數(shù)據(jù)（紅燈亮?xí)r）。測量單位：cm。

27、表1 左邊測距數(shù)據(jù)實際距離12131415161718192025測量距離13141516171819212326誤 差0111111331實際距離303540455061708090100測量距離313741465061708090100誤 差1211000000實際距離130150200250270280300310315320測量距離130149199247269277298308312318誤 差0113132232實際距離323327333338343348352359362367測量距離325330335340345350355360365370誤 差2322223133表2 右邊測距數(shù)據(jù)實際距離13141516171819202530測量距離13151617171819203631誤 差0111000011實際距離354