超声波测距仪的实现

·96· 工业仪与自动化装置 2009年第l期 超声波测距仪的研究 朱旋 (淮北煤炭师范学院，安徽淮北235001) 摘要：超声波测距是一种有效的非接触式测距方法，能够克服传统测距方法的不足。利用 AT89C5l定时功能来计算超声波在媒质中的传播时问，进而计算出超声波在媒质中的传播距离。 该仪器在工业控制、能源勘探、水利监测等领域具有广泛的应用。 关键词：超声波；单片机；测距仪 中图分类号：TH711文献标志码：A 文章编号：1000—0682(2009)01—0096—02 Researchonanultrasonicrangefinder ZHUXuan (肌mi妊z|∞k”co如驴旷‰f删∞打y，A以“日miki23500l，矾i船) Abstract：7rheultrasonicrangefindingisanemcientnon—contactmethodforrangefinding，which canremedythedeficiencyofanyconventionalrange6ndingmethods．The“methattheultrasonictravelin amediumisreckonedbymeansoftheAT89C51 timingfunction．Consequently，thedistancethattheul— trasonictravelinamediumcanbeworkedout．Thisinstrumentiswidelyusedinindustrialcontrol，energy exploration，irrigationworksaJldsoon． Keywords：ultrasonic；sinde—chipcomputer；range6nder O 引言 超声波具有指向性强、方向性好、传播能量大、 传播距离较远等特点，所以常用于测量物体的距离、 厚度、液位等。超声波测距技术在工业控制、能源勘 探、气象测量、水利监测等领域得到了广泛应用。 l超声波测距的基本原理 由超声探头发出的超声脉冲信号，借助空气媒 质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，其所 经历的时间与超声波传播的路程远近有关，根据其 传播速度和传播时间计算出其传播距离。系统利用 ArI’89c51单片机的定时功能实现对超声波信号进 行准确的计时，从而实现了高精度的距离测量。 如果物体之间的距离用￡(m)表示，测得往返 的传播时间为△r(s)，在空气中传播速度为C(m／ s)表示，则有以下关系式： L=C·△彤2 (1) 但传播速度会随环境温度变化而变化。若以￡ 表示环境温度，则传播速度： C=331．4+0．60×t (2) 收稿日期：2008一Ol—03 作者简介：朱旋(1977)，安徽淮北人，淮北煤炭师范学院讲 师，硕士研究生，研究领域为自动化技术，智能电源技术。 在应用中，如果温度变化不大，且无特殊精度要 求，可认为声速是基本不变的。否则，必须进行温度 补偿。测量时按上式对超声波传播速度加以修正， 以减小误差。 2系统构成及实现 系统由超声波传感器、发射电路、回波接收电 路、微处理器、Rs485串口通信等电路组成。微处理 器采用了ATMEL公司的AR9c51。系统硬件框图 如图1所示。 Rs485接口卜P2．5 P3．5叫超声波发射器I P3．7叫超声波接收器1 12MH晶振卜’ P1 ● AT89C51I LED显示I l复位电路卜 ▲P3．O一3．2 障 碍 物 图l系统框图 2．1超声波频率及探头的选用 超声波在空气中传播功率及精度与频率成正比。 权衡几个常用超声波频率的特点，最终选取频率为 40kHz。为了便于超声波的发送和接收，方案采用共 振频率为40kHz的超声波探头，其发射探头选用 TCT40—10Fl，对应的接收探头选用TCT40—10S1。 2．2超声波发射器的设计 超声波发送电路如图2所示。利用软件产生的 万方数据 2009年第l期 工业仪表与自动化装置 。97· +12v 正。因而系统中设置了一个温度检测电路，实时采 图2超声波发射及控制电路 超声波信号cNT，通过输出引脚输入至驱动器，经 驱动器驱动后推动探头产生超声波。40kHz的超 声波信号是利用555时基电路振荡产生的。其振荡 频率计算公式为： 厂一1．43÷((R9+2×尺lo)×c5)(3) 将尺。。设计为可调电阻，用于调节信号频率，使 之与换能器的40kHz固有频率一致。为保证555 时基具有足够的驱动能力，宜采用+12V电源。 2．3超声波接收器的设计 超声波接收器包括超声波接收探头、信号放大 器及波形变换电路三部分。超声波在空气中传播 时，其能量的衰减程度与距离成正比，通常在1mV 一1V之间。因此对放大器提出两个要求：(1)放大 器增益要大；(2)放大器增益可调。选择比较基准电 压，可使测量更加准确和稳定。实践证明，比较参考 电压的选取非常关键，它与测量灵敏度、系统鲁棒性 都有关系。如图3的设计，当没有回波信号或回波 信号很弱时，比较器输出为高电平，反之，为低电平。 图3超声波接收电路 2．4测温电路 超声波的速度由下式确定： 厂—■i c：／出 (4) ’V p 其中7是气体的比热；A是气体常数；p是气体的摩 尔质量；r是热力学温度。 当环境温度、湿度、大气压力变化时，超声波波 速也会随之变化，尤其是温度的影响更不能忽视，所 以在常温下大气中超声波声速可用式(2)进行修 集温度对波速进行修正。测 温电路使用的传感器为 DSl8820，如图4所示。具 +5有9／10／11／12位转换精度，“有9／10／11／12位转换精度， 图4温度测量电路 未编程时默认精度为12位， 测量误差一般为0．5℃，软件处理后可达0．1℃。 3系统软件设计 系统程序流程如图5所示。微处理器Arr89C51 先把P3．5置O，启动超声波传感器发射超声波，同 时启动内部定时器TD开始计时。后测温并修正声 速，当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微 处理器不停的扫描IN哟引脚，如果INlD接收的信 号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微 处理器进入中断关闭定时器。再把定时器中的数据 经过换算就可以得出超声波传感器与障碍物之间的 距离。最后经RS485传至上位机，进行实时监测、 显示和存储。 <茎塑> 王 初始化定时器 启动定时器To 商 I修正声速I L1一压再网 利_}{j中断 准备接收 繁列＼／N 0Y 关定时器I二亡 计算、显示I 数值土 Rs485传I 至上忙机I —了一n翮 图5系统程序流程图 4 结束语 通过数次实验改进，研制的超声波测距仪已基 本制作成功。测量距离为8m，测量精度为±5％， 系统稳定可靠，采用温度补偿法对所测数值进行修 正后，测量精度可达±2％，同时超声波的非接触方 式测距方便快捷。 参考文献： [1]严洪穗，宋进．超声波测距在智能机器人中的开发与 应用[J]．机电一体化，2000，(5)：16—18． [2]何立民．单片机微机应用文集[M]．北京：北京航空航 天大学出版社，1991． [3]袁易全．近代超声原理及应用[M]．南京：南京大学出 版社，1996． [4]刘凤然．基于单片机的超声波测距系统[J]．传感器世 界，200l。(5)：29—32． 万方数据 超声波测距仪的研究 作者： 朱旋， ZHU Xuan 作者单位： 淮北煤炭师范学院,安徽,淮北,235001 刊名： 工业仪表与自动化装置 英文刊名： INDUSTRIAL INSTRUMENTATION & AUTOMATION 年，卷(期)： 2009，(1) 引用次数： 0次 参考文献(4条) 1.严宏.宋进.陈敏贤 超声波测距在智能机器人中的开发与应用[期刊论文]-机电一体化 2001(5) 2.何立民 单片机微机应用文集 1991 3.袁易全 近代超声原理及应用 1996 4.刘凤然 基于单片机的超声波测距系统[期刊论文]-传感器世界 2001(5) 相似文献(10条) 1.期刊论文 雷建龙 基于单片机的超声波液位测量仪 -仪表技术与传感器2004(6) 介绍了用集成锁相环路解码器LM567作为超声波检测元件,以89C51单片机作为主控元件的超声波液位测量的原理、电路及测控程序.用超声波测量液 位具有不与被测介质接触、可测量低温介质、无可动部件、寿命长等优点;以LM567作为超声波检测元件可降低系统的价格,提高超声波捕捉能力;采用单 片机来控制超声波的发射与接收,并且计算出液位,使检测具有更高的智能性.对由于超声波声速变化及LM567输出延时引起测量误差的原因作了详细的分 析,并提出了提高调整波速精度及调整输出延时的措施.实验表明:该液位测量仪具有较高的准确度和可靠性,并且价格低廉,具有广泛的用途. 2.期刊论文 裴玖玲.屈百达.PEI Jiuling.QU Baida 基于单片机8089的超声波电源控制技术的研究 -现代电子技术 2008,31(9) 针对目前大功率超声波电源采用模拟控制电路存在精度低、动态响应慢、参数整定不方便等缺点,采用单片机8089组成智能控制的超声波电源系统 .提出了基于SPWM技术的双闭环控制策略和应用单片机实现软锁相的工作原理和软件思想,使整个超声波电源实现了低损耗、高功率因数,优化了电路的整 体性能. 3.期刊论文 宋继红.SONG Ji-Hong 基于单片机的高精度超声波液位检测系统 -机电产品开发与创新2009,22(3) 介绍一种使用超声波进行液位检测的微机控制系统及其硬件组成和相应软件流程图.为使测量具有较高的精度,系统在测量方式上采用在容器底部放 置超声波探头的回波检测法,使超声波在液体中来回传播以稳定超声波传播速度.该系统由脉冲发射电路,变增益接收电路,温度补偿电路和相应的控制电 路组成. 4.期刊论文 李春玲.LI Chun-ling 基于单片机的高精度超声波液位检测系统 -电子科技大学学报2006,35(3) 介绍一种使用超声波进行液位检测的微机控制系统及其硬件组成及相应软件流程图.为使测量具有较高的精度,系统在测量方式上采用在容器底部放 置超声波探头的回波检测法,使超声波在液体中来回传播以稳定超声波传播速度;在硬件上引入专用定时芯片8254,以提高传播时间的分辨率,同时8254的 时标信号由具有较高稳定频率的多谐振荡电路产生;在软件算法上减少舍去误差.系统测量精度可准确到厘米. 5.期刊论文 李晓峰.姬志国.樊琛 基于AT89C2051单片机和超声波控制的厨用炉灶节能系统设计 -电子元器件应用 2009,11(1) 介绍了一种利用超声波来控制厨用炉灶火焰的节能系统设计方案,给出了基于单片机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路以及软件系统的设 计与实现方法.该系统具有抗干扰能力强,控制准确,节能充分等优点. 6.期刊论文 闫飞.张景霞.赵庆海.YAN Fei.ZHANG Jingxia.ZHAO Qinghai 基于51单片机的超声波双张检测器设计 -中国印刷与包装研究2009,1(3) 双张检测器是印刷机最基本的检测装置.本文在现有双张控制方法的特点和不足的基础上提出了一种基于MCS-51单片机的超声波双张检测方法 ,并对该方法的检测原理、硬件电路、检测程序做了详细的论述.该方法具有结构简单、成本低廉、便于扩展的特点. 7.期刊论文 张坤鹏.王子樑.孙俊清.ZHANG Kun-Peng.WANG Zi-Hang.SUN Jun-qing 基于ATmega单片机的超声波数 字识别系统设计 -自动化与仪表2008,23(7) 分析了超声波信号传输的特点,运用ATmega单片机设计了基于超声波的调制与解调电路,并且利用有限状态机建模,设计了发送与接收的软件算法,从 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