高精度的超声波测距系统的设计与实现
202 1 2年月
(
自然 学科版)22 第 卷 第1 期
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ornul oa fHefi Uenviresty( iNtaura Sclincee)sF b．e2012 Vo． 2l2 N．o 1
精度高的 超 声波 距 测系 统的设 与 计 实
现李花，翠梁德 ，民周 晓美
(肥学院 合电子信与息气电工程系 合， 肥32061 0) 摘 :要利用 A89TC2 5单片机为作控制主器 ，行系进硬统和软件 件 设的 计 通．过 绍超介声 波 距测 测距 仪的 原理
超，声发射波块的原理模及电构成，路 声超 波接 收 模 块原理及 电 路构成， 以及温 度补偿路电 的原 理，设 计 了以出A T8S52 9片单机为心的低核本、 高精成度 微型化、字显示数超波测距仪的声件电路和软硬件控制统．系关键 :词 超波; 声距;测单片 机 温;度偿补中 图类分:号TP 273 献文标识: 码A文 编章号 16:3 7 162－X 20(12 ) 01－ 0 401－ 04
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( Dipartmeento fEl ectrnic onformaItonian dlEceritac Elngineernig，efHe iUivnerist，Hyeeif 230601， hiCna
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．1
超
声波距的基本测理
超原波是指声频高率 2于k0Hz的机械波 ． 由于 声波超 也是一 种声波 ，其 声 速与 度温 有． 关在 使 时用， 如果度变温不大化 则，认可为声速是基本不的变 ．果如测距精 度 要 很 高求 ， 则应通过 度温补 偿 的 方 加以法校 ．正［
3］
声速
确定
后
， 只要得测声波往返的时间超 即，求可得离，距 图如 1所示 ．以超声作波检为手段测， 必产须超声波和生收超接声波．考 实际虑程测工要求量， 用超声波测利距，时
用频率选f = 40Hkz 超的声波 ．声超波传器感实现是电转换的装置， 声又为超声波称能器换或超声波者探收
日稿: 期0211 －01 －1 0修回期: 2日01 －112 － 2
2基项金目:合肥学院自 科然学基项金(目1 0KY3ZR) 0助 资作者简: 介翠花李(1 98 7)— ，女 安徽砀，山人 合肥学，电院子息与电信工气程系师，讲 士．
硕
2 4头．
4［］
合学肥学报( 院自科学版)
然第 22 卷
它在是超频声率围内范交变将电信号的换转声成信 号 或 者将 外界 声 场中 的声 信号转 换 为 信电 号的
能 转换器量． 本设件中实计采际用了 T/ 40 R－12 压电式 声波超 换器能 它， 的工 作 频 率 为40kH ，z 外壳直 径如图 2 示所． 为 2m1，m
%$&()’**+
! "#$
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图
1
测原距图理
图
2
T
/ 40 － 12R 电式超压波声换器能
超波声射发器某向一向方射超声波发， 在射发时 同时 计 时刻， 声超在波介 质 传 中播，途 中 碰 到障 碍 物就 立返回即，来超声 波收接器收到反波射立即 停 就 止 时计 ．声超波 在空气 中 ( 02 )℃ 的 传播 速 度 34为0 m/s 实际速(度为 344 m/ ，s这 里 取整 数) ， 根 据计 时 器 记 录 的间时 ( t ，)就 可以 计算 发 出 射 距点 碍障 物的 距 离 s ()． 公如下式 : s = d/2 = ( * c )t/ 2 ， s 为测被与测物距的距离器， 为d声波的回路程， 来 为声c速，t 为声来回波所用的时间 ． ()1
2
2．1
超声测距的波件硬现方法实
硬构件成 基于片机的单声波超距系测，统 利是 用单 片 机编 程来 产生频 率 为 40kH 的z 方波 经，过 发射 动驱 路电［
5 ］
放大，
超声使传波器感发射产生振端荡 ， 发 超声波． 射超声 波遇 到障 碍 反 物射回 后， 由来传器感接收端接 收 再经接，电收放路、大整 形检波 ，送单到片机断中， 由口单片 机计 算 关相 据数．超声 测波 系统距 件硬 结回的接波放收、 大度温量及补偿测 数据、 理 处和显 示 几 个 部 分，如图 3 构 分单为机控片制声超的波射发 所、示． AT895C 单2片机 ，是一种低功耗 、性能高、 内含8 kBFl ash RMO 的片单机 ，计数精 达度 μ，s 工 作电压 8范位数 总据线 ．一有个编程可双工全行通串信口，接 围2． 7～ 6， V同能时进行串行送和接发．收 单片 机 P． 01 P1 1．控 D制1SB208 温测路，电 P0 负责 向 LD E 示显电 路 送输数 据，P3 ． 2、P3 3 负．责 接 发 4射0kzH 的脉，冲 收回信波．号［
6 ］
图
系3实现框图
统
． 2
2超声
波射模块发设 单片机计
产生的 是4kHz 的方波0， 驱要超动声波 传感 器须必 对脉 冲 信 进 行 号 放，大 后然 过通超 波 传声［7
］器感发超射声．波本设 的超声计发波模射块由射发 能器换
、
六反 相器 等 环组节成 ． 此 模 在 中 脉冲 块 射
发
采用件方软，式 路如图电4 所 示 在六反，相器7 4C4H40中将 4 k0zH方波 信分号成两路 ．一 路经 两 级 反 向器后 送超声波换能器的到一电极个 另，一经路级三向器反后送到声超波换器能的一个另极电 用，这种推形
第1 挽期
李翠
，花等 高:精的度超波测距声统系设计与的实现
43
式将
波信号加到方声超波换能两端器， 对号信进反行 放向大， 从 而 构 成 推拉 式反向 放 大 ，提 高 声波 的超发 ． ，， ．强射度输 出 采 端 用 两个 向 反器 并联 要主 是 用以提 高驱动能 力 加增它 输 的 出电流 电 容C1 和C 2平 衡 信号的 输，出使波 稳定．
［形 8］
图
4超声
发射波原图理
2
．3
超声波收接模块
在超声波
发传射播到遇碍物返回后，障 要将超需波 声 换转 成 信电号 ，由 于转 换 的后电 信 号比 较弱 ，所 以必 经须放过以大及整形电将路收到的回接信波转号成方换波脉冲 然后再作，于单用机片， 使响应之部外中断 子序，程并根 程序据算计次本测的试离距．超 声接波处收理部分由接换能收器 放、大路电 比较电、等路 节组成环 其原理，图图如 5示所 ．超声波收接元单用两极同采交流相大放路和电级电一压比较 电 路．交 放流 大 路电由 EN5532 构成， 超因此静 工态 点作应选在 V0． 由于接 收 到的 超声波 信号 常非微 声波接收放大电路用正负 5采 电V供 源电，C 和 5C 6 电 弱对， 因转而换为信号的电值也幅较小，为 此求要将信号 放 大 10 000万 倍左右， 因此 采 用C 、 源进行2滤波，以减小对输 信号入的 干 扰．C1 为 隔 直电 容 ， 用 滤以除 放 大 A器 1 输 出 号 信 中 的 直流电 压 C．3是 第级放大二路电电的滤源电波． 容接到收超的声波 信号 经两 极 向同放 后大再 经 过 比 较器 可 得 到 所需 的 TTL电 矩平波．形
图5
超
声波收原理图接
2
．4
温补偿电路度
超声波在空中气传其播波速易湿受度、 度温 、强等压因素的影，响其中温 度的影响最． 大此因常温下用 的声波速超度 33． 5m / s 来1算计同不温度 下 的 超波声 测距 距的离 是 有 大 很误 差的． 这 就 需要 根 据经 验 公 为T现 场温 度 ．为 了 化简电路 计设 式: ， = V331 ． 5+0． 06 T 对超7波声波速进行补偿， 的其中 V为 实际 波， 速S1D8B2 ， 0 D．S18B2 0本系采统用 字温数传感器采度集场现度 补温偿波给 是速 一总
线器件， 不需外围调 理要电路，可以 和单片直机接连相，控 制简 单 易行 ． 通过 D18BS0 单 2 片 可以 机实 时采 集 温 度值， 在进 行 测 时将温度量补偿给速，波从 计而算该温度下出超声波 速 的．度 通 温过 度补 偿 电 路 ，可 以大大提 高超声波 测 距 的度．
精44
合
学肥学报院( 自然科学)版
第2 2
UZ卷
3
声超波距系统测件软设
计
声超测波 仪距 软 件的设计 要 主 主 程序、由 超声 波 测距子 程序、 外部 断中程序子、预 警提子程序示组成．当整 个路系电统接电源通后 ， 单片 在机 某 时刻发 射 波， 此方 就会时启定时动器开计始， 超时声波在空气传中遇到播碍 物障就 会 立刻返回．当 收接模 收块 到 回 波后 ，它 产会生 一 跳个 变并将 其 到送单机片中口断 ，时 单 此片 机就会 启中 动 断程，序定 器时则 停 止 时计．系统通 软过件制控 计算出 时 间，差得 到 超声波 在 气空 传中播的间 t时 ，据公根式到发射点得接与收之间点的距离． 体 测具 流试图如图程6 示所 3 ． ． 超声波测距子程1 主序序首先程系统初对化始，由 AT9S85 2控制模组发生 40kHz 的脉冲信， 每次号测 发量射 脉冲 数的至少要 21个 完 的 4整kH0 脉冲．z同时发 信号前射开打数计器， 行进时;计 等时计到达一定 值 ， 后开再检启回测信波号 以避免余 波 信 号的干 扰 ，当 接收到回 波 IN T 接O的收号信高由平变为电低电，平信号 后 ， 片单 进 机 中 断入 关定时闭器 并利，测用 距程 序 算出 距离， 后 通最 过 示显 模 块 示显 所测得出距的离．3 ．2 外部中断程 外序部断程中是当回 序波触 外 部发 断中，后读 取 测 结果量， 并对数据行进初处步理． 在动启发射电路的时同动单片机 内启 部 的时器定 T0 ， 利定用 时 的 计 数 器 功能 录记超 声波发 射 时的 间和收 到反 射波的间值， 时当到收 超波声反射 波 ，时 收接电路出端产输
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软图测试件程图
流一个负生跳变 ．在 NI0T端 生产一个断请求中号，信 片 机单响 应 外 中 部断请 ，求 执行外 中部断 服 子务序， 提程时间取算距计． 离．3 3警预显模示设计块液 显晶示程序设计子 ，需了解L C D接口协的议， 本选用文是的液显晶 模示块 LC 1D02 6，通过 阅其查 器件明书， 说道其外知接口围和各及脚引功， 确能保件软 中 时序 的安 要 与 液排晶 显示 模块内 部 的 序 时 致一， 则否不将显会示功成 蜂．鸣器通过延达到不时现场同况情的各种
蜂鸣果．效
结4语束
经过
实测明表 采，用度温补及偿正后，校 该距系统在测0． 4 ～ 3 内m， 测距差小于误 % 1 修．系正 延统迟 时后间可减小1 mm的 测量差误，精度 有显的明提高．试验结 验证果该了距测系统件硬及件设软 合 理计 ， 性能可靠稳， 完全能够满足液定测量、位 机人器定、位微地 测貌量等些一场的合精度要求高．
参考文: ［ 献1 戴］章曰， ］J 计量．与量技测术， 025 ，032 ( 2) :7191 ．志吴勇 基．于 A8TC91 单片5的超声机测波系统距设计 ［ ［］2 华康． 光子技电基础术［M ］ ．北京 高:教育出等社， 版1999 :31． ［2 3 堵］俊 J］， ． 表仪术技与传感器， 0208( 1)1 :8 11 ．晓吴，华 ， 亮． 基等于 PLC 的D型新精度超高波测距传感声器测距系研统［ 制 4［ ］李光飞 单片．机程课计设例实指［ 导M］． 北:京北京航空 天航大出版社学， 2050 : 8691 ．［ 5 ］会李来 ，J ］．仪 技表， 术012 0 7() : 323．5李 民．小一种适用于 机器避人障超的声波距系统测计设实现与 ［ 6］ ［珩张 ，J ． 现］电代子技， 201术 ( 30 : )25200． 刘7杰．亚A T985C2 声波测超倒车防撞报距系警［ ［ 7］ 统栋王 基于多超声波测距．模糊控制与移的动器机自主避人障［ D］． 岛青 :国海中洋大学息科学信工程学与院， 0028 ［ 8．］ 高旭 ，］ J． 汽电子技车，术201 (0 1 ) :656．9 军．朱基于 T8AS529单 机片的超声波车雷倒系统的达设计［［ 责任 编校 :永张］军