超声波传感器测距系统设计.doc

超声波传感器测距系统设计 学 院：信息工程学院 班级：控制研107班 姓 名：刘 利 敏 学号：指导教师：陈先中教授 日期：2010年10月13日 摘要：为了测量一个较短的距离，我利用SensComp公司生产的Polaroid6500系列超声波距离模块、600系列传感器和AT89C51单片机AT89C51 which make up of the system to measure the distance. In this paper we present the design of the circuit and the program. Keyword: ultrasonic；sensor；singlechip；distance 1、研究背景及现状 超声波是指频率高于20KHz的机械波。超声波的频率很高，衍射效应小，传播方向性好。它在固体和液体传播过程中，衰减很小、穿透本领强、能量高而且集中，利用超声波定向发射性质，可以探测水中活动的物体、海深；工业中利用超声波可以精确测量部分物体的厚度，距离，水位，水位差，固体料位，密度，粘度，温湿度等。超声波测距，可以应用于汽车倒车，建筑工地施工以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位，井深，管道长度的测量等场合。测量时传感器与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。 超声波传感器以其信息处理简单、价格低廉、硬件容易实现等优点，被广泛用作测距传感器。本超声波测距系统选用了SensComp公司生产的Polaroid 6500系列超声波距离模块和600系列传感器，微处理器采用了ATMEL公司的AT89C51。本文对此超声波测距系统进行了详细的分析与介绍。 2、超声波传感器测距 2.1 测距原理 首先超声波传感器向空气中发射声波脉冲，声波遇到被测物体反射回来，若可以测出第一个回波达到的时间与发射脉冲间的时间差t，利用s=t v即可算得传感器与反射点间的距离s，测量距离d=，若测量距离sh时，则d≈s，本仪器采用收发同体传感器，故h=0，则d=s=t v。脉冲法测距的原理如1所示。 图1 距离测量原理 为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 2.2 温度补偿 常温常压下，空气近似为理想气体。超声波在理想气体中传播速度为v=，式中为气体摩尔质量；r为气体的比热比；R为气体常数；T为热力学温度。对于一定的气体r、为定值。由公式可知：声速与热力学温度的平方根成正比。温度越高速越大，温度越低声速越小。00C时，空气中声速的实验值为331.45m/s，空气中声速表达式为 v=331.45(m/s)， 由实验分析得距离计算公式为 s=-15(mm), 式中N为计数个数，f为参考频率，为摄氏温度，s为距离。 在250C 时，s=0.1731425-15(mm)为本仪器的距离计算公式。电路中未用温度传感器，所以仅进行常温下的声速补偿v=346.285m/s在其它情况下，可根据具体需要而程序会略有改动。 3、硬件电路设计 该设计的超声波测距系统由Polaroid 600系列传感器、Polaroid 6500系列超声波距离模块和AT89C51单片机传感器里面有一个圆形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一层金属薄膜，在其背面有一个铝制的后板。薄片和后板构成了一个电容器，当给薄片加上频率为49.4kHz、电压为300VAC pk-pk的方波电压时，薄片以同样的频率震动，从而产生频率为49.4kHz的超声波。当接收回波时，Polaroid 6500内有一个调谐电路，使得只有频率接近49.4kHz的信号才能被接收，而其它频率的信号则被过滤。 超声波传感器既可以作为发射器又可以作为接收器，传感器用一段时间发射一串超声波束，只有待发送结束后才能启动接收，设发送波束的时间为(，则在(时间内从物体反射回的信号就无法捕捉；另外，超声波传感器有一定的惯性，发送结束后还留有一定的余振，这种余振经换能器