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基于单片机的超声波测距系统的设计 收藏此信息 打印该信息 添加：佚名 来源：未知 ??? 超声波测距作为一种典型的非接触测量方法，与激光测距、红外线测距相比，超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感，更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境，在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势。由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均得到广泛应用，如倒车防撞雷达、海洋测量、物体识别、工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别。 2??超声波测距基本原理 ??? 超声波测距的基本工作原理是测量超声波在空气中的传播时间，由超声波传播时间和传播速度来确定距离障碍物的距离，即脉冲--回波方式。该方式的基本电路框图如图1 所示。由发射传感器、发射电路、接收传感器、接收放大电路、回波信号处理电路和单片机控制电路等几部分组成。 图1? 超声波测距基本组成 ??? 发射电路是一个工作频率为40 khz的多谐振荡器，多谐振荡器受单片机控制，产生一定数量的发射脉冲，用于驱动超声波发射传感器，并激励出超声波在空气中传播，遇障碍物反射而返回。超声波接收传感器通过压电转换的原理，将由障碍物返回的回波信号转换成电信号，由于该信号幅度较小(几到十几毫伏)，因此须由低噪声放大、40khz带通滤波电路将回波信号放大到一定幅度，且干扰成分较少，并由回波波号处理电路转换成方波信号，送至单片机系统进行时间测量和距离的显示。 ??? 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=ct/2。 ??? 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器t0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在int0端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 ? 3??超声波测距的误差分析 3.1 ?环境温度对测量精度的影响 ??? 利用超声测距要考虑媒质的弹性模量和密度对声速的影响。在气体中，压强、温度、湿度等因素会引起密度的变化，气体中声速主要受密度影响，超声波在固体中传播速度最快，气体中传播速度最慢。气体中声速受温度影响最大，超声波在空气中传播速度为 ??? 式中t为绝对温度，c0=331.4m/s。 ??? 由于声速与温度有关，为了提高测量精度，设置了温度检测电路，根据实际测量的温度值利用公式计算超声波速度，对最终测量结果进行校正。 3.2?回波前沿检测误差对测量精度的影响 ??? 超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。整个过程，由于吸收衰减和扩散损失，声强随目标距离增大而衰减；同时衰减系数还与超声波的频率有关。因此超声波测距在实际应用的局限性，影响了超声波测距的精度。一是超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生较大的误差。二是超声波脉冲在发射、空气中传播和接收过程中，其回波信号被展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离的测量造成较大的影响。由于超声波收、发传感器均由压电陶瓷构成，压电陶瓷片在压电的双向转换过程中，均存在惯性、滞后等现象，导致回波信号被展宽。这些因素造成了回波正确到达时间的不确定性，对测量精度造成较大的影响。正确检测回波到达时间，能使超声波测距精度获得提高。 4??系统组成结构 4.1?硬件结构 ??? 主要包括at89c51单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、测温电路等。 ??? 采用数字温度计ds18b20来采集温度信号，ds18b20是美国dalas 公司推出的单线串行数字温度计，可直接与单片机连接，测量范围从-55℃～125℃，-10℃～85℃时测量精度为0.5℃。 ??? 超声波发射及驱动电路由功率放大电路和超声波发射传感器组成，其原理电路如图2 所示。放大器输人端获得一个来自单片机送来工作频率为40 khz的脉冲信号。通过功率放大电路放大到足够大的能量(增加超声波的传播距离)，该能量加给超声波发射传感器，驱动超声波发射头，并发射出40 khz脉冲波，通过空间向外传播出去。 ?图2?? 超声波发射电路 图3? 超声波接收电路 ??? 超声波接收电路由高速运算放大电路和超声波接收传感器组成，其原理电路如图3所示。超声波在空气中传播时，其能量衰减程度与传播