高准确度超声波测距仪的研制

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高准确度超声波测距仪的研制

赵

珂，向

瑛，王

忠，施琴红

（南昌航空工业学院电子系，江西南昌!!

摘

超声波发射电路、超声波接收要：利用超声波传感器实现无接触式测距。系统由!

放大电路、环境温度采集电路及显示电路组成。超声波测距仪具有高集成度、响应速度快，测量准确度高（*’+’&,）、性能价格比高等特点。关键词：单片机；超声波；测距中图分类号：

文献标识码：2

文章编号：)’’’3$.#.（&’’1）’&3’’((3’1

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测距准确度要求很高的情况下，应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。当已知现场环境温度为

［)］

超声波的传播速度#为!时，

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这样，只要测得超声波发射和接收回波的时间

超声波是由机械振动产生的，可在不同介质中以不同的速度传播。由于超声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中衰减较小，反射能力较强等优点。因此，超声波传感器可广泛应用于非接触式检测，它不受光线、被测物颜色等影响，在恶劣工作环境下具有一定的适应能力。因此在水文液位测量、车辆自动导航、物体识别等领域有着广泛的应用。本文着重介绍脉冲回波法的超声波测距原理及系统构成。A

工作原理

超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差!!，然后求出距离

)

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在空气中，常温下超声波的传播速度是

由于超声波的传播速度#受到空气中温11/,VH，

度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高)W，声速增加约’%X,VH。因此在

收稿日期：&’’&&’$&)1

差!!以及现场环境温度!，就可以精确计算出从发

射点到障碍物之间的距离。

微电脑超声波测距仪的工作原理如图)所示。

图AB/0A

微电脑超声波测距仪硬件结构框图C147@14%6,432,34%(-,.%*/24(2(*)3,%4

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传感器技术第&&卷

该系统由!

为防止绝缘电阻下降导致超声波传感器转换性能变坏，不能长时间地对传感器施加直流电压。因此在电路中串入一个耦合电容器，通过它就可以将直流电压转换为等幅的交变电压，保证了测距仪能够长时间可靠、稳定的工作。)

超声波接收及回波检测电路

由于超声波在空气中传播时，其能量的衰减程供计算距离时对超声波传播速度的修正。最终单片机利用公式（)），式（&）计算出被测距离，由显示器显示出来。)

单片机与各部分电路的接口

本系统是以!

超声波发射及驱动电路

超声波发射及驱动电路由%0*’))组成的%5:;多谐振荡器，产生*’+,-的振荡信号。通过微处理器的7)89口来控制多谐振荡器的工作或停止，从而控制超声波的发射。其中需要注意的是：控制脉冲的频率（在本系统中即7)89口高、低电平的变化频率）必须远低于多谐振荡器的振荡频率。该电路的振荡周期为

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由于超声波的传播距离与它的振幅成正比，为了使测距范围足够远，可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。本电路采用%0*’*$组成的驱动电路将振荡信号的幅度增大一倍，能够有效

度与传播距离成正比，所以超声波传感器的接收信号一般在)?1@)1之间。为了便于使用，接收电路要提供很高的放大增益，由于接收传感器的输出是正弦波信号，这就需要设计成交流放大电路。本系统选用两片:7’9组成的两级放大电路，对接收到的超声波信号进行放大处理。信号经过放大以后，输入456&*的正端，

与基准电压相比较。当输出端（与单片机的7)8&口连接）为低电平时，

存在二种可能：（)）无回波信号；（&）回波信号很弱，超出测距范围，此时系统均以无回波信号方式处理；反之输出高电平，系统确定为回波信号后，立即停止计时。值得注意的是：基准电压值的选取和设计比较讲究，其准确性和稳定性直接影响测量的准确性和系统的抗干扰能力。)

温度采集及123转换电路

温度采样电路部分包括测温电桥、放大电路和123转换电路。

测温电桥采用铂热电阻7A)’’做为温度传感器。经取样电桥采样后，将温度信号转换成电压信号，再

经放大后接入由4566)组成的123转换电路［)］

。该

电路变换准确度高，数字分辨力可达)&位。!

软件设计思想

由于超声发射传感器与超声接收传感器相隔很近，当发射超声波时，接收传感器会收到很强的干扰信号。为防止系统的误测，在软件上采用延迟接收技

术，以此提高系统的抗干扰能力［&］。

当起始键按下，即发送发射超声波的指令，控制系统开始执行程序，完成对温度的采集；发送、接收超声波的时间间隔的测量；最后通过数值处理程序计算出被测距离，送显示器显示。本系统软件采用模块化设计，由主程序、测距子程序、测温子程序、显示

第!期赵珂等：高准确度超声波测距仪的研制

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子程序等主要模块组成。主程序框图如图!所示。由表

修正前的平均测量误差为!!

修正后的平均测量误差为

!!

由于系统增加了温度修正系统及软件补偿技术，大大提高系统的测量准确度。实际测试证明，经修正后该系统的测量准确度可达到.#+#!$。6

结束语

本系统利用超声波传感器实现无接触式空气测距，并充分考虑到测量环境温度对超声波传递速度的影响，通过温度补偿的方法对传递速度予以校正，因此具有较高的测量准确度、抗干扰能力强，反应速

图!主程序框图

度快等特点，可适用于各种水文液位测量、障碍物的识别以及车辆自动导航等领域，因此具有广阔的应用前景。参考文献：

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大学出版社，

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项目温度（%）

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［!］余瑞芬+传感器原理［/］+北京：航空工业出版社，

作者简介：

赵

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方向是：微型计算机控制系统及电子设备的稳压电源设计。

修正前（$）*+*&,*+--**+(

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（上接第,&页）-实验结果

采用活塞杆行程为(##$$，活塞杆的运行速度为,##$$12的油缸测试了几组数据见表

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次数

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实验数据7&3&*819(1)#+1’3左列对应行程（$$）,##+,,!#+!,!*+*&*,+!&*#+)&**+(,#*+’,!#+-,

实际行程（$$）,##,!#,)#&*,&*#,##,

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直从事计算机控制与应用方面的教学与科研工作。

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版社，

从表

结

论

采用此种方法可以对一些老产品进行改造，使油缸位置控制更精确，其次它可以使新产品油缸工艺不必复杂化，节省了人力物力。如果产品投入市场，将会得到很好的的收益。参考文献：

作者简介：

张立新（

高准确度超声波测距仪的研制

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

赵珂， 向瑛， 王忠， 施琴红

南昌航空工业学院,电子系,江西,南昌,330034传感器技术

JOURNAL OF TRANSDUCER TECHNOLOGY2003，22(2)20次

参考文献(2条)

1.王福瑞 单片微机测控系统设计大全 19982.余瑞芬 传感器原理 1995

相似文献(10条)

1.期刊论文 雷建龙 基于单片机的超声波液位测量仪 -仪表技术与传感器2004,

介绍了用集成锁相环路解码器LM567作为超声波检测元件,以89C51单片机作为主控元件的超声波液位测量的原理、电路及测控程序.用超声波测量液位具有不与被测介质接触、可测量低温介质、无可动部件、寿命长等优点;以LM567作为超声波检测元件可降低系统的价格,提高超声波捕捉能力;采用单片机来控制超声波的发射与接收,并且计算出液位,使检测具有更高的智能性.对由于超声波声速变化及LM567输出延时引起测量误差的原因作了详细的分析,并提出了提高调整波速精度及调整输出延时的措施.实验表明:该液位测量仪具有较高的准确度和可靠性,并且价格低廉,具有广泛的用途.

2.期刊论文 王景中.张朝杰.WANG Jing Zhong.ZHANG Chao Jie 基于AT89S51系列单片机实时语音播报的超声波测距仪设计 -微型机与应用2010,29(4)

详细介绍了一种基于单片机实时语音播报、带有LED数码显示功能的脉冲反射式超声测距系统.利用AT89S51定时功能来计算超声波在媒质中的传播时间,进而计算出超声波在媒质中的传播距离.该仪器在工业控制、能源勘探、水利监测等领域具有广泛的应用,特别是在实时性要求比较高的领域具有更大的优势和更广阔的应用前景.

3.期刊论文 裴玖玲.屈百达.PEI Jiuling.QU Baida 基于单片机8089的超声波电源控制技术的研究 -现代电子技术2008,31(9)

针对目前大功率超声波电源采用模拟控制电路存在精度低、动态响应慢、参数整定不方便等缺点,采用单片机8089组成智能控制的超声波电源系统.提出了基于SPWM技术的双闭环控制策略和应用单片机实现软锁相的工作原理和软件思想,使整个超声波电源实现了低损耗、高功率因数,优化了电路的整体性能.

4.期刊论文 宋继红.SONG Ji-Hong 基于单片机的高精度超声波液位检测系统 -机电产品开发与创新2009,22(3)

介绍一种使用超声波进行液位检测的微机控制系统及其硬件组成和相应软件流程图.为使测量具有较高的精度,系统在测量方式上采用在容器底部放置超声波探头的回波检测法,使超声波在液体中来回传播以稳定超声波传播速度.该系统由脉冲发射电路,变增益接收电路,温度补偿电路和相应的控制电路组成.

5.学位论文 高守香 双频超声波清洗机的研制 2007

功率超声波应用技术已经在清洗、乳化和加工等方面取得可观的成效。超声清洗是功率超声技术最广泛也较成熟的一种应用，并且日益向各行各业渗透。

超声波清洗中的压电换能器常因驱动电路的输出频率没有谐振在压电陶瓷片的共振频率上，因而导致压电陶瓷片的Q值下降，损耗加大，继而使得陶瓷片发热，效率减小而发生断裂。因此共振频率是压电陶瓷超声波换能器的一个重要参数，它随负载及工作温度等因素的变化而变化，或随时间的增加而变化，换能器馈电电路能否自动跟踪其共振频率就变得很重要。此外，由于目前市场上的超声波清洗机设备多采用单一频率的工作方式，也就是每套设备只能工作在一个超声频率上，这使得结构复杂的工件得不到充分清洗，同时，由于驻波场的形成，造成清洗盲区，使清洗效果不均匀。

本文以半桥变换器为夹心式压电换能器的驱动电路，以脉宽调制器3525为脉冲波产生电路，采用单片机89S51、DAC0832D/A转换器及软件技术，设计出具有频率跟踪功能的双频超声波发生器，较好地消除超声波清洗机清洗槽内由驻波引的清洗死角，有效地提高了超声波清洗机清洗效率。实验表明，采用双频超声波清洗方式的超声波清洗机，工作稳定、高效，具有广泛的应用前景。

6.期刊论文 李春玲.LI Chun-ling 基于单片机的高精度超声波液位检测系统 -电子科技大学学报2006,35(3)

介绍一种使用超声波进行液位检测的微机控制系统及其硬件组成及相应软件流程图.为使测量具有较高的精度,系统在测量方式上采用在容器底部放置超声波探头的回波检测法,使超声波在液体中来回传播以稳定超声波传播速度;在硬件上引入专用定时芯片8254,以提高传播时间的分辨率,同时8254的时标信号由具有较高稳定频率的多谐振荡电路产生;在软件算法上减少舍去误差.系统测量精度可准确到厘米.

7.期刊论文 李晓峰.姬志国.樊琛 基于AT89C2051单片机和超声波控制的厨用炉灶节能系统设计 -电子元器件应用2009,11(1)

介绍了一种利用超声波来控制厨用炉灶火焰的节能系统设计方案,给出了基于单片机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路以及软件系统的设计与实现方法.该系统具有抗干扰能力强,控制准确,节能充分等优点.

8.学位论文 田晓娟 基于单片机的超声波淤泥界面检测系统的开发 2008

沉淀池是污水处理工程中的一个重要部分，对于沉淀池淤泥界面的测量目前国内普遍采用插杆目测或使用进口设备进行测量。前者方法简陋，测量误差大，而进口设备价格昂贵。所以面对我国污水处理厂的形势，研制一种成本低廉，便于国产化的淤泥界面测量系统具有非常重要的现实意义。

本论文课题针对淤泥界面的检测展开工作，系统地分析了超声测距的基本原理，对超声波测距的误差精度进行了详细分析，提出一种基于AT89C51单片机的超声波淤泥界面检测系统。该系统由单片机，超声波发射电路，超声波接收电路，温度补偿电路，LED显示器等主要部分组成。该系统能够实现了对沉淀池内淤泥界面进行自动测量，并显示出来当前的界面位置，由于系统采用了温度补偿电路，提高了系统的测量精度。本课题的研究成功将有利于提高我国目前污水处理的自动化水平，提高劳动生产率、节能、降耗和降低污水处理厂建设及污水处理的单位运行成本费用。 本论文内容即根据上述内容展开讨论：

第一章介绍本课题的项目背景、目的和意义及本课题使用的相关检测技术的发展现状。 第二章详细地分析了超声波检测技术的方法和原理。

第三章给出了超声波进行界面检测的工作原理，并进行了误差分析，提出了时间误差和温度误差的补偿方法，设计了超声波淤泥界面检测系统的总体方案。

第四章详细论述了系统的硬件组成电路，并进行了各功能模块的设计。

第五章从软件体系结构的角度，对系统软件的总体设计和各个功能模块的设计作了详细介绍。

9.期刊论文 张坤鹏.王子樑.孙俊清.ZHANG Kun-Peng.WANG Zi-Hang.SUN Jun-qing 基于ATmega单片机的超声波数字识别系统设计 -自动化与仪表2008,23(7)

分析了超声波信号传输的特点,运用ATmega单片机设计了基于超声波的调制与解调电路,并且利用有限状态机建模,设计了发送与接收的软件算法,从而实现了数字信号的发送与接收.通过使用数字通讯协议实现了基于超声波的数据包通讯,达到模仿RFID进行数字识别的功能.

10.期刊论文 张芬.董浩斌.焦彦斌.ZHANG Fen.DONG Hao-bin.JIAO Yan-bin 基于C8051F320单片机的超声波测距仪

-仪表技术与传感器2009,

介绍了USB(通用串行总线,Universal Serial Bus)型单片机C8051F320和相应的集成开发环境,详细论述了超声波测距仪从系统的整体结构设计到发射与接收部分电路的实现以及软件设计的整个过程.为了提高测量精度,采取了温度补偿、增大发射功率、回波捕捉等措施.系统充分利用C8051F320的功能模块和片内资源,实现了温度和距离的测量、输入信号的采集和USB总线传输,可在VC编制的界面平台上控制单片机及实时显示数据处理结果.该超声波测距仪符合USB2.0规范并采用USB总线供电模式,无需外接电源,支持即插即用.经测试该系统能有效提高测距精度,有望得到进一步应用.

引证文献(20条)

1.赵小强 简易的超声波测距系统[期刊论文]-天津理工大学学报 2010(1)

2.陈朝明.周杏鹏 基于CPLD的超声波流量计的设计与实现[期刊论文]-仪器仪表与分析监测 2009(4)3.曾碚凯.李胜 基于声阻变化率的船舶焊缝缺陷成像研究[期刊论文]-计算机与现代化 2009(9)4.祝敏 超声波测距误差分析及修正方法[期刊论文]-计量与测试技术 2009(2)

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6.高春雷.王发灯 清筛机污土输送装置避障系统的设计[期刊论文]-铁道建筑 2007(8)

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