带温度补偿的超声波测距系统设计

南通大学

传感器与检测课程设计(预习）报告

项 目： 带温度补偿的超声波测距系统设计 班 级： 姓 名： 学 号： 联系方式：学 期： 2015-2016-2

前言 .................................................... 3

一．课题调研 ............................................ 3

1.1传感器选型 ......................................... 3

1.1.1可选温度传感器 DS18B20 .......................... 3

1.1.2可选用AD590温度传感器 .......................... 4

1.2超声波传感器 ....................................... 5

1.2.2选用MAX232芯片 做发射电路 ..................... 7

1.2.3超声波发射电路 .................................. 8

1.2.4超声波接收电路 ................................. 10

1.2.5选用TL074芯片作为接受电路 ..................... 11

1.3多种实现方法。 .................................... 12

1.3.1方法一：系统结构框图 ........................... 12

1.3.2工作原理 ....................................... 12

1.3.3方案二：系统结构图如下。 ....................... 13

二．总体设计 ........................................... 14

2.1电路图 ............................................ 14

2.1.1超声波模块电路 ................................. 14

2.2.1主程序设计。 ................................... 19

前言

以AT89S51单片机为核心，设计了一种带温度补偿的超声波测距系统。系统包括单片机、超声波发射及接收模块、温度补偿模块、信息显示模块。温度补偿模块采用温度传感器 DS18B20 采集环境温度，根据超声波速度与温度值的对应关系及时修正波速，以纠正温度的变化引起超声波测距系统产生的误差。

一．课题调研

1.1传感器选型

集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC 。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度) 、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

1.1.1可选温度传感器 DS18B20

由于声音的速度在不同的温度下有所不同，因此为提高精度，应通过温度补偿对超声波的传播速度进行校正。系 统 采用 DS18B20传 感 器 测 量 温 度，DS18B20 温度传感器具有不受外界干扰、精度高、测温范围宽等优点。单片机口接 DS18B20 数据总线，控制 DS18B20 进行温度转换和传输数据，数据总线接 10 k Ω 的上拉电阻，作用是使总线控制器在温度转换期间无需一直保持高电平。

1.1.2可选用AD590温度传感器

AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1k Ω时，输出电压V O 随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使V 0=273.2mV。或在室温下(25℃) 条件下调整电位器, 使V 0=273.2+25=298.2（mV ）。但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。

AD590把被测温度转换为电流再通过放大器和A/D转换器，输出数字量送给单片机进行温度控制。

通过查阅资料与比较分析可得： AD590需要和高精度ADC 配合使用才能得到数据，优点是速度快，编程简单，缺点是是需要校准，电路复杂，成本高。DS18B20保证精度足够，电路简单成本低，但是编程复杂，转换速度慢，但关键的是DS18B20性价比高，如果广泛选用，所带来的社会效应比较好，有利于环保节能。

综上所述:由于DS18B20将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一个芯片，与单片机连接简单、方便，与AD590相比是更新一代的温度传感器，DS18B20不需要AD 转换，精度高，电路简单且成本低，可行性好，经济性好，所以选用DS18B20。

1.2超声波传感器

1.2.1超声波传感器 HC － S ＲF04 。选用HC-SR04集成发射与接收HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，其结构简单，使用单片机控制电路简单容易，而且价格便宜。该模块包括超声波发射、接收与控制电路。发射电路主要由Em78p153单片机、MAX232及超声波发射头T40组成，接受电路主要由

TL074

运算放大器及超声波接收探头R40组成。实物如图如下

超声波发射电路

超声波接受电路

1.2.2选用MAX232芯片 做发射电路

MAX232芯片是美信（MAXIM ）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，如图所示，使用+5v单电源供电。MAX220–MAX249系列线驱动器/接收器，专为EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口设计，尤其是无法提供±12V 电源的应用。

发射电路如图

1.2.3可选用TCT40-16T 和一支超声波接收传感器 TCT40-16Ｒ。TCT40-16T 可以发40 k Hz 左右的方波脉冲信号。信号由单片机 端口提供，由于单片机端口输出功率不够，40 k Hz 方波脉冲信号需经功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求。TCT40-16Ｒ作接 收 传 感 器，经LM358 放 大 后 进 入 LM567 进 行 锁 相 环 检 波。 当LM567 的引脚输入合适的信号时，其引脚产生一个负跳变，在编程时将外部中断 0 的中断触发方式设置为下降沿触发，就可以通过 INT0 产生一个外部中断申请，由 CPU 来检测并理。

1.2.3超声波发射电路

74LS04 是德州仪器生产的六反向器，总共有 14 个引脚，引脚 1A~6A 是输入端，引脚 1Y~6Y 是输出端，另外还有两个分别是电源的正负 Vcc 和 GND 端

电源电压 Vcc 的允许范围是 4.75V~5.25V，输入高电平电压最小值是 2V ，输入低电平电压最大是 0.7V ，输出高电平的时候电流时 400，输出低电平的时候电流是 8m A ，输出由低到高或者由高到低的传输时间最大时 15ns 。超声波发射电路利用单片机 AT89C51 的 P3. 端口发射 40k Hz 的方波，通过芯片 74LS04 六反向器来驱动超声波传感器来发射超声波。该测距电路的 40k Hz 方波信号由单片机的 P3.5发出，方波的周期为 1/40ms ，即 25s ，半周期为 12.5s 。每隔半周期时间，让方波的输出引脚电平取反，便可以产生 40k Hz 的方波。因为我们的单片机采用的晶振是 12M 的，单片机的时间分辨率是 1s ，所以只能产生半周期为 12s 或者 13s 的方波信号，频率分别是 41.67k Hz 和 38.46k Hz，本系统选择了后者，让单片机产生 38.46k Hz 的方波。

单片机的引脚产生的 40k Hz 的方波信号，一路经 74LS04 的一级反向后送到超声波发射传感器的一个电极；另一路经过二级反向后送到超声波发射传感器的另外一个电极。利用这种推挽的方式把方波信号加到超声波发射传感器的两极，这样的方式能增强超声波的发射强度，另外输出端采用两个反向器并联的方式来增强系统驱动能力，两个上拉电阻一方面可以提高反向器的驱动能力，另一方面可以增加超声波传感器的电气阻尼效果，大大缩短电气振荡的时间。

1.2.4超声波接收电路

CX20106A 采用8 脚单列直插塑料封装，主要由以下几个部分组成前置放大器，限幅放大器，带通滤波器，检波器，积分器和整形电路，CX20106A 在输入微弱信号的时候，前置放大器具有很高的增益，而在输入强信号的时候又不会过载。内部的滤波器中心频率可以由其引脚 5 外接电阻进行调节，范围可以从30k Hz~60k Hz。CX20106A

的工作过程如下：前置放大器把超声波接收传感器检测到的微弱

电压信号进行放大，电压增益约为 80d B，然后将放大后的信号送给

限幅放大器，使其转变为矩形脉冲，再由滤波器进行频率选择，消除干扰信号，然后经过整形后，由其引脚 7 输出低电平。

1.2.5选用TL074芯片作为接受电路

TL074芯片是四运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源供电工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。他的适用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器。

接受电路如图所示：

综上所述：选用TL074芯片作为接受电路，选用MAX232芯片做发射电路。但是由于学校器件选购不合适等等原因，最终选择集发射和接受为一体的HC-SR04，编程简单，可行性好，经济性也好，是很

好的选择。

1.3多种实现方法。 1.3.1方法一：系统结构框图

1.3.2工作原理

系统工作原理和功能本系统工作时，由单片机提供 40 k Hz 的脉冲信号，经放大后通过超声波发射器输出。超声波在空气中传播，在到达被测物体时被反射回来，由超声波接收器接收。当超声波接收器接收到反射波时，先经放大器放大，用锁相环电路检波处理后产生一个负跳变，在 INT0 产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务程序。单片机在启动发射电路时同时启动单片机内部的定时器 T0，利用定时器记录超声波发射的时间和收到反射

波的时间。在外部中断程序中读取时间差，计算距离。其中温度补偿环节为：温度补偿环节，设超声波速度为v ，往返时间为 t ，温度为 T ，v = 331.5 + 0. 61T，距离为速度除以二可得。

1.3.3方案二：系统结构图如下。

接口向触发引脚发送≥10 μs 的脉冲触发信号，该模块内部将发出 8 个 40 k Hz 周期电平并检测回波，一旦检测到有回波信号，则 3 脚输出回响信号，所测的距离与回响信号的脉冲宽度成正比，由此可通过发射信号到收到回响信号的时间间隔计算得到距离。超声波时序图

综上所述:由于元器件的限制，最终选择第二种设计方案，同时，第二种方案，方便简单可行性高，同时经济性好，对社会环境影响小，所以选择第二种方案，有利于低碳环保可持续发展。

二．总体设计 2.1电路图

2.1.1超声波模块电路

TL074接受电路

MAX232发射电路

温度检测电路

LCD 或LED

显示模块

2.2.1主程序设计

选用社会效益、环保效益好的HC-SR04主程序流程图如下

加入温度传感部分