文档介绍：基于单片机的超声波测距系统的研究与设计(温度补偿)
信息来源: 维库开发网发布时间:2009年12月16日
在日常生产生活中,很多场合如汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量等需要自动进行非接触测距。超声波是指频率大于20 kHz的在弹性介质中产生的机械震荡波,其具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离相对较远等特点,因此常被用于非接触测距。由于超声波对光线、色彩和电磁场不敏感,因此超声波测距对环境有较好的适应能力,此外超声波测量在实时、精度、价格也能得到很好的折衷。
为此,文中尝试以单片机AT89S52为核心,利用一对40 kHz压电超声传感器设计一款体积较小、价格低廉、精度较高、具有温度补偿、实时LCD显示和报警的超声波测距仪。
1 超声波测距原理
超声波传感器分机械方式和电气方式两类,它实际上是一种换能器,在发射端它把电能或机械能转换成声能,接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器,它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,就成为超声波接收器。在超声波电路中,发射端输出一系列脉冲方波,脉冲宽度越大,输出的个数越多,能量越大,所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同,使用时应分清器件上的标志。
超声波测距的方法有多种:如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,经反射后由超声波接收器接收脉冲,其所经历的时间即往返时间,往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。
假定s为被测物体到测距仪之间的距离,测得的时间为t/s,超声波传播速度为v/m·s-1表示,则有关系式(1)
s=vt/2 (1)
在精度要求较高的情况下,需要考虑温度对超声波传播速度的影响,按式(2)对超声波传播速度加以修正,以减小误差。
v=+ (2)
式中,T为实际温度单位为℃,v为超声波在介质中的传播速度单位为m/s。
2 系统总体设计方案
本系统由超声波发射、回波信号接收、温度测量、显示和报警、电源等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。系统原理框图,如图1所示。
整个系统由单片机AT89S52控制,超声波传感器采用收发分体式,分别是一支超声波发射换能器TCT40-16T和一支超声波接收换能器TCT40-16R。超声波信号通过超声波发射换能器发射至空气中,遇被测物反射后回波被超声波接收换能器接收。进行相关处理后,输入单片机的INT0脚产生中断,计算中间经历的时间,同时再根据具体的温度计算相应的声速,根据式(2)就可得出相应的距离用来显示,当然在一些场合也可根据需要,设置距离报警值。
3 硬件设计
超声波发射部分
超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT40-16T能向外界发出40 kHz左右的方波脉冲信号。40 kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法:采用