基于单片机的超声波测距系统的设计

In formation T echnology

2005年第7期　　中图分类号:TP36812　　文献标识码:B　　文章编号:1009-2552(2005)07-0128-02

基于单片机的超声波测距系统的设计

高飞燕

(南华大学电气工程学院,衡阳421001)

摘　要:介绍了利用单片机控制的超声波测距系统的原理,由单片机控制时间计数、控制超声波的发射和接收。给出了系统构成,并在数据处理中采用了温度补偿修正。此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点。

关键词:单片机;超声波;测距;温度补偿

Design of ultrasonic distance measurement system

based on microprocessor

G AO Fei2yan

(College of E lectrical E ngineering,N anhu a U niversity,H engyang420001,China) Abstract:This paper introduces the principle and structure of ultras onic distance measurement system con2 trolled by Microprocess or.The Microprocess or control the time-keeping and the transmitting and reflecting back of ultras onic.In the data processing tem perature com pensation is used.S o the instrument system has fea2 tures,such as easy control,operation stability and high precision etc.

K ey w ords:microprocess or;ultras onic;distance measurement;tem perature com pensation

0　引言

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它是由与介质相接触的振荡源所引起的,其频率在20000H z以上。超声波在工业生产、医疗技术、日常生活中的应用越来越多。超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性,由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点,常用于测量物体的距离、厚度、液位等。超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关,它在空气中的传播速度为340mΠs。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,其所经历的时间长短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长。利用超声波特性、单片机控制、电子计数相结合可以实现非接触式测距。由于超声波检测迅速、方便、计算简单,且不受光线、电磁波、粉尘等的干扰,其测量精度较高。常用于桥梁、涵洞、隧道的距离检测中。但值得注意的是,超声波在空气中传播速度会随介质温度的升高而增大,气温每上升1℃,声波速度增加0.6mΠs。所以在测量中要考虑温度变化的因素,进行温度补偿修正,减少测量误差。

1　超声波发生器

为了研究和利用超声波,人们研究了多种超声波发生器,常用的超声波发生器可以分为二大类,一是用电气方式产生超声波,如压电式、磁致伸缩式超声波发生器;二是用机械方式产生超声波,有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同。这里采用第一类的压电式超声波发生器,是利用压电晶体的电致伸缩现象,即压电效应。常用的压电材料有石英晶体、压电陶瓷等。如图1所示,在压电材料切片上施加一定频率的交变电压,当外加信号频率等于压电晶片的固有频率时,会产生电致伸缩振动,产生共振,并带动共振板振动,产生超声波。其频率可由下式得出。

收稿日期:2005-03-24

作者简介:高飞燕(1968-),硕士研究生,19年毕业于华中理工大学,研究方向为自动化仪表、智能检测技术。

—

8

2

1

—

　　f =

n

2d

E

ρ

式中,n 为谐波的级数,d 为晶片厚度,E 为杨氏模量,ρ为压电材料的介质密度。对于石英晶体,E =

7.70×1010N Πm 2,ρ=2654kg Πm 3

,它可以产生几十

kHz 到几十MHz 的高频超声波。

图1　超声波传感器结构

超声波的频率越高,方向性越好,但频率太高,衰

减也大,传播的距离越短。考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率f =40kH z ,波长λ=0.85cm 。

超声波的接收是利用超声波发生器的逆效应(逆压电效应)而进行工作的。当一定频率的超声波作用到压电晶体片上时,使晶体伸缩,在晶体的两端面产生交变电荷,把电荷转换成电压,再经放大输出,它的结构与发生器类似。

2　超声波测距原理

超声波测距采用的方法是时间差测距法,即测取

超声波从发射地至目的地传输所经过的时间,也称渡越时间检测法。当超声波发生器发射出超声波,开始计时,到超声波经空气传播至目标,再反射回传播至超声波接收器,计时停止,测得的传输时间为t 。由下式可以求出声波发射地与目标之间的距离L 。

L =ct Π2

c 为超声波在空气中的传播速度。渡越时间t 的测量,采用单片机脉冲计数的方法,可以精确地测出。把时间t 转换成脉冲计数量N ,则有:

L =Nc Π2f ′

式中N 为计数脉冲个数,f ′为计数脉冲频率。由于声波速度受温度影响较大,其传播速度c 与环境温度T 的关系可由下式描述。

c =331.4

1+T Π273

在测量中需按上式对声波速度进行修正,以减

少测量误差。

3　测距系统构成

图2所示为超声波测距仪的基本组成,由超声波发射、回波信号接收处理、计时测量、显示、温度修正和单片机控制构成。整个系统由单片机控制,选用ATC52单片机。由单片机的晶振电路产生4MH z 方波信号,经分频器分频输出一40kH z 的驱动信号给超声波发射换能器,使发射器起振发出超声波。同时启动单片机的计数器,开始计时。超声波信号在空气中传播至障碍物后产生反射,反射回波

经空气传播回超声波接收换能器接收,转换成电信号脉冲,经放大、滤波、整流后,输入到单片机外部中断口产生中断,计数器停止计数。此时计数器计得的脉冲数N ,

即为对应的需要测量渡越时间大小,由N 可求出间距L 。

图2　超声波测距系统的基本构成

温度补偿部分由测温元件测得实时的温度,经过A ΠD 转换后送入单片机,通过软件编程来实现,可以采用软件查表来实现补偿。单片机完成数据处理及控制任务,最终把测量结果通过数码管显示出来。

4　误差分析及结论

表1为利用本文设计的测距系统进行实际测量的结果。可以看出在距离50cm 至300cm 范围内,测量误差基本满足要求,小于20cm 测量误差较大。产生误差的原因,主要来自温度的影响,以及超声波发射器和接收器间小距离间隔,导致信号直接传递或多重反射。

表1　测距系统实验结果

实际距离(cm )

测量距离(cm )

相对误差(%)

1010.88　2021.57.53031.2 4.05051.4 2.87069.2-1.4100100.5 1.5150152.4 1.6200195.0-2.0300

296.6

-1.2

　　(1)温度的影响虽然加了温度修正,但由于声波传播过程中,温度在一个梯度方向,且各点温度有上下浮动,加上测温器存在误差,所以仍会给声速的测量带来影响,给距离测量带来一定的误差。(2)超声波的能量大小及衰减的影响。超声波在空气中传播,随传播距离的增加,其强度因空气吸收而减弱,呈指数规律下降,且超声波频率越高,衰减得越快。

基于单片机的超声波测距系统,通过温度补偿修正,在测量距离不是特别小时,测量精度基本可以达到要求。由于它的测量可靠、容易控制,可以适用于多方面的测距的应用。参考文献:

[1]　苏长赞.红外线与超声波遥控[M].北京:人民邮电出版社,

19951

[2]　张友德,赵志英,涂时亮.单片微型机原理、应用与实验[M].上

海:复旦大学出版社,19991

责任编辑:杨立民

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