超声波测距仪的研制

　　收稿日期 :2003201220 　　作者简介 :胡萍 (19682) ,女 ,江西进贤人 ,江西省计算技术研究所助理研究员 ,研究方向 :计算机控制。 文章编号 :100622475 (2003) 1020054203 超声波测距仪的研制 胡　萍 (江西省计算技术研究所 ,江西 南昌 　330002) 摘要 : 主要介绍微电脑超声测距仪的工作原理。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。该超声波测距仪具有集成度高、反应速度快、测量精度高、性能价格比高等特点。 关键词 : 单片机 ; 超声波 ; 测距仪 中图分类号 : TP274 + . 53 　　　文献标识码 : A Study of High Precision Ultrasonic Range Finder HU Ping (Jiangxi Institute of Computing Technology ,Nanchang 　330002 ,China) Abstract :This paper describes the principle of microprocessor ultrasonic range finder. The system consists of single chip AT89C2051 ,ul2 trasonic transmitter circuit ,ultrasonic receiver circuit ,temperature collection circuit ,and display circuit. The ultrasonic range finder is of high integration ,high2speed reaction ,high measure precision ,and high rate of performance and price. Key words :single chip ;ultrasonic ;range finder 0 　引　言 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。由于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 ,它不受 光线、被测物颜色等的影响 ,在恶劣的工作环境下具 有一定的适应能力。因此在水文液位测量、车辆自动 导航、物体识别等领域有着广泛的应用。本文着重介 绍脉冲回波法的超声空气测距原理及系统构成。 1 　工作原理 超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到 障碍物所反射的回波 ,从而测出发射和接收回波的时 间差Δt ,然后求出距离 s。在已知速度 v 的情况下 , 不难得出 : s = 1 2 v △t (1) 在空气中 ,常温下超声波的传播速度是 334mΠs , 由于超声波的传播速度 v 受到空气中温度、湿度、压 强等因素的影响 ,其中受温度的影响较大 ,如温度每 升高 1 ℃,声速增加约 0. 6mΠs。因此在测距精度要求 很高的情况下 ,应通过温度补偿的方法对传播速度加 以校正。当已知现场环境温度为 T 时 ,用 (2) 即 可确定超声波的传播速度 v : v = 331. 5 + 0. 607T (2) 这样 ,只要测得超声波发射和接收回波的时间差 Δt 以及现场环境温度 T ,就可以精确计算出从发射点 到障碍物之间的距离。 微电脑超声测距仪的工作原理框图如图 1 所示。 该系统由 AT89C2051 单片机、超声波发射电路、接收 放大电路、环境温度采集电路及显示电路组成。 AT89C2051 单片机是整个系统的核心部件 ,协调各部 件的工作。单片机控制的振荡源产生 40kHz 的频率 信号来驱动超声波传感器 ,每次发射包含 10 个脉冲 , 当第一个超声波脉冲发射后 ,计数器开始计数 ,在检 测到第一个回波脉冲的瞬间 ,计数器停止计数 ,这样 就能够得到从发射到接收的时间Δt ;温度采集电路 也将现场环境温度数据采集送到单片机中 ,提供计算 距离时对超声波传播速度的修正。最终单片机利用 　2003 年第 10 期 计 　算 　机 　与 　现 　代 　化 J ISUANJ I YU XIANDAIHUA 　 　总第 98 期 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 公式 (1) 、(2)计算出被测距离 ,由显示器显示出来。 图 1 　微电脑超声波测距仪硬件结构框图 1. 单片机与各部分电路的接口。 本系统是以 AT89C2051 单片机为核心 ,要实现其 对各部分电路的控制和响应。串行口 RXD、TXD 分别 与显示电路的 RXD 和 TXD 相连 ,构成串行静态显示 电路 ;定时Π计数器 T0 ,与 VΠF 转换器 LM331 的输出 端相连 ,实现频率采集功能 ; P1. 7 与 CMOS 多谐振荡 器的控制端相连 ,通过软件使 P1. 7 口输出高或低电 平 ,从而控制超声波的发射 ; P1. 6 通过一个开关二极 管 IN4148 与比较器的基准电压产生电路控制端连 接 ,发射超声波时置 P1. 6 为“1”,输出的电平可以抑 制比较器的翻转 ,从而抑制发射器发射的超声波直接 辐射到接收器而导致错误的检测 ; P1. 2 口连接比较 器LM324 的输出端 ,通过扫描 P1. 2 口就可以判断是 否接收到回波。 2. 超声波发射及驱动电路。 超声波发射及驱动电路如图 2 所示 ,由与非门 CD4011 组成的 CMOS 多谐振荡器产生 40kHz 的振荡 源 ,为了控制振荡的产生或者停止 ,将其中把第一个 门U1 的一个输入端作为控制端 C ,当 C =“0”时 ,振荡 停止。反之 C =“1”时 , 产生振荡。将 C 端与 AT89C2051 单片机的 P1. 7 口连接后 ,就可通过微处 理器来控制超声波的发射。其中需要注意的是控制 脉冲的频率 (在本系统中即 P1. 7 口高、低电平的变化 频率)必须远低于多谐振荡器的振荡频率。该电路的 振荡周期为 : t = 2. 2Rt Ct (3) 图 2 　超声波发射及驱动电路 由于超声波的传播距离与它的振幅成正比 ,为了 使测距范围足够远 ,可对振荡信号进行功率放大后再 加在超声波传感器上。本电路采用 CD4049 组成的驱 动电路将振荡信号的幅度增大一倍 ,能够有效地增加 超声波的传播距离 ,达到扩大测距范围的作用。 为了防止绝缘电阻下降导致超声波传感器转换 性能变坏 ,不能长时间地对传感器施加直流电压。因 此在电路中串入一个耦合电容 C1 ,通过它就可以将 直流电压转换为等幅的交流电压 ,保证了测距仪能够 长时间可靠、稳定地工作。 3. 超声波接收及过零检测电路。 由于超声波在空气中传播时 ,其能量的衰减程度 与传播距离成正比 ,所以超声波传感器的接收信号一 般在 1mV～1V 之间。为了便于使用 ,接收电路要提 供 100 倍以上的放大增益 ,而且接收传感器的输出是 正弦波信号 ,这就需要交流放大电路。本系统选 用两片 OP - 07 组成的两级放大电路 ,对接收到的超 声波信号进行放大处理。信号经过放大以后 ,输入 LM324 的正端 ,与基准电压相比较 ,使 LM324 的输出 端 (与单片机的 P1. 2 口连接) 输出高电平 ,单片机接 收到回波后 ,即停止计时。 图 3 　超声波接收及过零检测电路 在单片机控制超声波发射 (置“1”P1. 7) 的同时 , P1. 6 输出一个高电平 ,给电容 C5 充电 ,经一串联分 压网络将该电压输出到比较器的负端 ,这样可以有效 地抑制超声波发射器发射的超声波直接辐射到接收 器 ,导致比较器误反转 ,而得到错误检测信号。发射 结束后高电平翻转为低电平 ,比较器的负端也为低电 平 ,若 LM324 的输出端为高电平 ,则已接收到回波信 号。 4. 温度采集及 VΠF 转换电路。 温度采样电路部分包括测温电桥、放大电路和 VΠF 转换电路。 测温电桥采用铂热电阻 PT100 做为温度传感器。 经取样电桥采样后 ,将温度信号转换成电压信号 ,再 经放大后接入由 LM331 组成的 VΠF 转换电路。该电 路变换精度高 ,数字分辨率可达 12 位。 552003 年第 10 期 　　胡萍 :超声波测距仪的研制 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 图 4 　由 LM331 构成的 VΠF转换电路 由公式 f0 = ViΠ(RL IRt) 可知 ,电阻 Rs 、R1 、RT 和电 容 CT 直接影响转换结果 f0 ,因此选择元件的精度要 有一定的要求。电容 C1 对转换结果虽然没有直接的 影响 ,但应选择漏电流小的电容器。电阻 R1 和电容 C1 组成低通滤波器 ,可减少输入电压中的干扰脉冲 , 有利于提高转换精度。 2 　软件设计思想 由于超声发射传感器与超声接收传感器相隔很 近 ,当发射超声波时 ,接收传感器会收到很强的干扰 信号。为防止系统的误测 ,在软件上采用延迟接收技 术 ,以此提高系统的抗干扰能力。 当起始键按下 ,即发送发射超声波的指令 ,同时 单片机控制系统开始执行程序 ,完成对温度的采样、 滤波 ,发送、接收超声波的时间间隔的获得 ,以及距离 值的计算。本系统软件采用模块化设计 ,由主程序、 测距子程序、测温子程序、显示子程序等主要模块组 成。主程序框图如图 5 所示。 图 5 　主程序框图 3 　结束语 本系统利用超声波传感器实现无接触式空气测 距 ,并充分考虑到测量环境温度对超声波传递速度的 影响 ,通过温度补偿的方法对传递速度予以校正 ,因 此具有较高的测量精度。 由于本系统具有测量精度高、抗干扰能力强、反 应速度快等特点 ,可适用于各种水文液位测量、障碍 物的识别以及车辆自动导航等领域 ,因此具有广阔的 应用前景。 参考文献 : [1 ] 　何希才. 传感器及其应用电路 [M] . 北京 :电子工业出版 社 ,2001. [2 ] 　王福瑞. 单片微机测控系统设计大全 [M] . 北京 :北京航 空航天大学出版社 ,1998. [3 ] 　袁易全. 近代超声原理及应用 [M] . 南京 :南京大学出版 社 ,1996. (上接第 53 页) 　　第一次定位时间 (取决于 GPS 的性能和陀螺测 漂时间) :热启动时间 ≤45s ,冷启动时间 ≤120s ; 主要技术指标 :在市区允许 GPS 信号中断 ,利用 航位推算和 Beacon 的定位信息可以准确地对车辆进 行定位。 (2)蓝牙模块通信特性。连接及数据时间 :2 秒 左右 ;波特率 :115200bps ;输入电流 :90mA ;工作电压 : 3. 3V ;功耗 :连接状态下 ,主设备为 140mW ,从设备为 110mW ,在睡眠状态为 45mW ;有效无线传输距离 :7～ 8 米。 对系统的原理样机多次实验证明 :本文所设计的 微型车辆导航系统成本是相当低的 ,并且蓝牙的价格 会逐渐下跌 ,那么成本就会越来越低 ,并且性能会越 来越稳定 ,所以用蓝牙作为短距离无线通信还是比较 经济实惠的 ,具有一定的发展空间。 参考文献 : [1 ] 　张禄春 ,雷春娟 ,郎晓虹. 蓝牙协议及其实现 [M] . 北京 : 人民邮电出版社 ,2001. [2 ] 　袁信 ,俞济祥 ,陈哲. 导航系统 [M] . 北京 :航空工业出版 社 ,1993. [3 ] 　Min2Te Sun ,Chung2Kuo Chang ,Ten2Hwang Lai. A self2routing topology for Bluetooth scatternets[A ] . Proceedings 2002 Inter2 national Symposium on Parallel Architectures ,Algorithms , and Networks[ C] . IEEE Comput. Soc. ,2002. 65 计 　算 　机 　与 　现 　代 　化 2003 年第 10 期 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条