簡易的超聲波測距系統(tǒng)_圖文

1、簡易的超聲波測距系統(tǒng)趙小強(qiáng)1,2(1.天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津300084;2.發(fā)泰科技有限公司,天津300402摘要:根據(jù)超聲波的傳播特性,采用555電路產(chǎn)生40kHz 正弦波驅(qū)動超聲波換能器,通過單片機(jī)適時(shí)控制外圍電路,對超聲波在空氣中的傳播時(shí)間進(jìn)行測量,從而設(shè)計(jì)了超聲波測距系統(tǒng).本文詳細(xì)的闡述了超聲波測距系統(tǒng)的構(gòu)成,電路原理,程序設(shè)計(jì)及溫度補(bǔ)償.關(guān)鍵詞:超聲波測距;超聲波換能器;單片機(jī);溫度補(bǔ)償中圖分類號:TP216文獻(xiàn)標(biāo)識碼: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超聲波是頻率大于20kHz 以上的聲波,是一種機(jī)械震動在媒介中的傳播過程,其指向性強(qiáng),能量消耗緩慢,在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn),而經(jīng)常用于各種測量,它是一種非接觸的檢測方式,和激光、紅外及無線電測距相比,具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、在測量過程中不受光線、顏色以及磁場的影響等特點(diǎn).超聲波測距廣泛應(yīng)用在汽車倒車、建筑施工工地、工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控等場合.1超聲波測距

5、原理超聲波測距通過超聲波換能器發(fā)射和接收超聲波信號來進(jìn)行距離測量.目前的超聲波換能器可以分為兩大類:一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波,一類是用電氣式產(chǎn)生超聲波.機(jī)械方式有液哨、加爾統(tǒng)笛和氣流旋笛等;電氣方式包括磁致伸縮型、電動型和壓電型等122.在超聲波測距過程中,超聲波換能器發(fā)射端得到輸出脈沖的一系列方波,同時(shí)單片機(jī)的定時(shí)器開始計(jì)時(shí),這些脈沖到達(dá)被測目標(biāo)時(shí),發(fā)生反射,經(jīng)空氣傳播反射到超聲波換能器的接收端.單片機(jī)接收到第一個(gè)脈沖去觸發(fā)定時(shí)器停止計(jì)時(shí),通過單片機(jī)檢測聲波的渡越時(shí)間t,根據(jù)常溫下超聲波的傳播速度V ,即可得到被測物到發(fā)射點(diǎn)的距離S,S =V t /2,通過數(shù)碼管顯示出測試結(jié)果.其原理圖見

6、圖1所示.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射、回波的接收放大、溫度測量、數(shù)據(jù)處理和顯示四個(gè)部分.單片機(jī)采用AT MEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能收稿日期:2009204205.基金項(xiàng)目:天津市高等學(xué)校科技發(fā)展基金(2006BA12.作者:趙小強(qiáng)(1983,男,碩士研究生第26卷第1期2010年2月天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)J O URNAL O F T I ANJ I N UN I VERS I T Y O F TECHNOLO GY Vol .26No .1Feb .2010 圖1超聲波測距原理圖F i g .1Sche ma ti c of ultra son i c d ist

7、ance m ea sure m en tC MOS8位機(jī)AT 89S52,它具有8kHz 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器.使用A t m el 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造,與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容.片上Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程,亦適于常規(guī)編程器.在單芯片上,擁有靈巧的8位CP U 和在系統(tǒng)可編程Flash,使得AT89S52單片機(jī)為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案3.2.1超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)在超聲波測距系統(tǒng)中,40kHz 的超聲波信號是最理想的.因此利用555時(shí)基電路產(chǎn)生40kHz 的方波信號,其振蕩頻率計(jì)算公式為f 1.43÷(

8、R 1+2×R 2×C 1,這里R 2采用可調(diào)電阻,其目的是為了 制超聲波的發(fā)射.具體見圖2.圖2超聲波發(fā)射電路F i g .2Ultra son i c tran s m itter c i rcu it2.2超聲波接收電路設(shè)計(jì)由于反射回來的超聲波信號非常微弱,所以接收電路需要將其進(jìn)行放大425.接收到的超聲波信號先經(jīng)過電容耦合,然后加到運(yùn)算放大器NE5532上進(jìn)行兩級放大.采用NE5532不僅因?yàn)槠漕l帶寬,噪聲低,還因?yàn)榕c同類運(yùn)算放大器相比其共模抑制較大,電源電壓抑制比較小,輸入偏置電壓較小.同時(shí),其工作性能較好,價(jià)格便宜.在這里兩級放大分別放大100倍,使得總體放大了

9、10000倍.后級采用LM311比較器對接收信號進(jìn)行調(diào)整,比較電壓為LM311的3管腳處,可通過調(diào)節(jié)R 11選擇不同的比較電壓,調(diào)節(jié)測量距離的遠(yuǎn)近見圖3.3超聲波溫度補(bǔ)償超聲波在空氣中傳播其波速易受濕度、溫度、壓05天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)第26卷第1期度下的超聲波速度.圖3超聲波接收電路F i g.3Ultra son i c rece i ver c i rcu it4軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)在測距過程中,單片機(jī)首先通過DS18B20采集現(xiàn)場的溫度,當(dāng)測距鍵按下后,測距系統(tǒng)開始執(zhí)行程序,逐步完成對溫度的采集、波速的補(bǔ)償;超聲波的發(fā)射、接收的時(shí)間間隔的測量;最后通過數(shù)據(jù)處理程序計(jì)算出被測距離,顯示到數(shù)碼管上.

10、本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)理念,有主程序、溫度測量子程序、距離測量子程序、顯示子程序627.在軟件設(shè)計(jì)中考慮到超聲波發(fā)射傳感器和超聲波接收傳感器相隔很近,當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí),接收傳感器會收到余波信號和其他干擾信號.為了防止系統(tǒng)誤測,在軟件上才用延時(shí)的手段,以提高系統(tǒng)的抗干擾能力.主程序主要用來調(diào)用相關(guān)子函數(shù),這里不做詳細(xì)介紹.主要講述一下溫度測量子程序和距離測量子程序.4.1溫度測量子程序超聲波測距系統(tǒng)上電后,DS18B20就開始檢測現(xiàn)場溫度,將測量結(jié)果顯示到數(shù)碼管上.由于DS18B20是一總線器件,所以在程序設(shè)計(jì)過程中對時(shí)序的要求特別嚴(yán)格,單片機(jī)在經(jīng)過單總線接口訪問DS18B20的工作流程必需

11、要遵守嚴(yán)格的操作順序,如果順序中任意一步缺少或順序錯亂,DS18B20將不會響應(yīng).DS18B20的操作順序是:第一步:對DS18B20初始化;第二步:發(fā)送ROM命令;第三步:發(fā)送功能命令.DS18B20軟件控制的具體流程見圖4.4.2距離測量子程序超聲波測距系統(tǒng)通過P2.1端口控制NE555 發(fā)圖4溫度測量子程序F i g.4Te m pera ture m ea sure m en t subrouti n e射40kHz的脈沖,為了得到比較精確的測量結(jié)果每一次側(cè)絕要進(jìn)行4次測量,這四次的測量結(jié)果需要經(jīng)過處理后才可得到最終的測距返回值.每一次測量,發(fā)射20個(gè)40kHz的脈沖,同時(shí)單片機(jī)的定時(shí)

12、器1啟動定時(shí).通過外部中斷來識別超聲波的回波信號,由于超聲波余波的影響,在測距過程中要延時(shí)4m s再開啟外部中斷.這里設(shè)置一個(gè)超時(shí)處理程序,當(dāng)延時(shí)一段時(shí)間后,如果外部中斷沒有響應(yīng),重新發(fā)射40kHz的脈沖.如果外部中斷I N T O被響應(yīng)時(shí),定時(shí)器立刻停止計(jì)時(shí).再通過相應(yīng)程序?qū)囟妊a(bǔ)償給波速,從而計(jì)算出所測距離.經(jīng)過四次測量,將最終結(jié)果顯示到數(shù)碼管上.具體流程見圖5.152010年2月趙小強(qiáng):簡易的超聲波測距系統(tǒng)圖5距離測量子程序F i g.5D ist ance M ea sure m en t Subrouti n e 5結(jié)論本超聲波測距系統(tǒng)基本上能滿足大部分工程需要,由于其采用了單片機(jī)做為控制核心,通過軟件編程技術(shù),配合硬件能夠滿足的系統(tǒng)要求.超聲波測距應(yīng)用廣泛,除了應(yīng)用于管道測量、倒車?yán)走_(dá)等場合,在機(jī)器人領(lǐng)域也有很好的發(fā)展前景.參考文獻(xiàn):1陳桂生.超聲換能器設(shè)計(jì)M.北京:海洋出版社,1984.2袁希光.傳感器技術(shù)手冊M.北京:國防工業(yè)出版社,1986.3李茂山.超波測距原理及