超聲波測距儀的設(shè)計(jì)

楊慧敏

（菏澤學(xué)院物理系 山東 菏澤 274015）

0 引言

超聲波測距在很多距離探測應(yīng)用中具有重要的用途[1,2]，特別是在空氣測距方面的用于尤為突出。由于信息在空氣中的傳播速度較慢，其回?fù)苄盘栔兴难貍鞑シ较虻男畔⒑苋菀妆粰z測出來，因而具有很高的分辨能力，而且其準(zhǔn)確度也比其他方法高；此外，超聲波傳感器由于體積小、結(jié)構(gòu)簡單、信號處理可靠等特點(diǎn)受到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前，基于超聲波精確測距的需求也越來越大，如油庫和水箱液面，機(jī)械內(nèi)部損傷的檢測和物體內(nèi)氣孔大小的檢測等，都會(huì)用到超聲波對其進(jìn)行測試[3,4]。文章介紹了用AT89S52單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)超聲波測距儀的原理和思路。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與思路

圖1是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體的結(jié)構(gòu)框圖，圖2是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件流程圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

超聲波傳感器在40kHz時(shí)其聲壓能級、靈敏度最大，所以本設(shè)計(jì)所采用的超超聲波傳感器的頻率為40kHz。本設(shè)計(jì)測量距離的方法為采用電平觸發(fā)方式，其具體工作原理如下：工作時(shí)單片機(jī)輸出口向超聲波測距模塊發(fā)射出脈寬至少為10us的高電平信號，以便使超聲波發(fā)射模塊發(fā)射超聲波，同時(shí)由單片機(jī)中的定時(shí)器模塊開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中進(jìn)行傳播，當(dāng)碰到目的障礙物時(shí)，超聲波發(fā)生反射并由超聲波接收模塊接收回波，當(dāng)有信號返回時(shí)，單片機(jī)通過輸出口輸出一高電平脈沖，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回所用的時(shí)間[2]。假設(shè)超聲波往返的時(shí)間為t，根據(jù)L=vt/2便可以計(jì)算出超聲波收發(fā)器與障礙物之間的具體距離，這種方法就是通常所說的的時(shí)間差測距法。其中v為超聲波的在空氣中的傳播速度，其具體值與環(huán)境溫度有關(guān)，在測量精度要求比較高的場合中要考慮到溫度的影響，可由軟件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整補(bǔ)償；在測量精度要求不是很嚴(yán)格的情況下，可以忽略溫度對測量的影響，認(rèn)為v為常數(shù)，并取v=340m/s。由此可得：

式中TH0、TL0—計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)開始和終點(diǎn)時(shí)間值。L為測距儀和障礙物之間的距離。

測距儀測量出的結(jié)果將以十進(jìn)制形式傳送到系統(tǒng)的顯示模塊中顯示出來,然后再由測距儀發(fā)射超聲波脈沖重復(fù)測量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照以上步驟完成超聲波測距儀的安裝和調(diào)試后，對所設(shè)計(jì)的具體的測距儀進(jìn)行實(shí)際的數(shù)據(jù)測量。為了使測量結(jié)果可靠，并且考慮測量過程中存在著的許多外界因素的干擾，測量多次數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)整理如下。

表1 第一次測試數(shù)據(jù)

表2 第二次測試數(shù)據(jù)

表3 第三次測試數(shù)據(jù)

為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，對每一組數(shù)據(jù)進(jìn)行3次測量，對所測的每組數(shù)據(jù)去掉一個(gè)最大值和最小值，然后再求其平均值，用來作為最終的測量結(jié)果數(shù)據(jù)，最后將結(jié)果進(jìn)行比較分析，這樣處理數(shù)據(jù)也具有一定的科學(xué)性和合理性。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，測量結(jié)果一般都比實(shí)際值要大，總體上看測試結(jié)果的準(zhǔn)確性還是比較高的，誤差比較小。

3 結(jié)束語

超聲波測距在很多距離探測應(yīng)用中具有重要的用途，本系統(tǒng)介紹了AT89S52單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)便攜式超聲波測距儀的原理和思路，由于采用時(shí)間差法測距，系統(tǒng)在近距和遠(yuǎn)距都可以實(shí)現(xiàn)精確測量，所以系統(tǒng)的測量應(yīng)用范圍更廣。

［1］沈紅衛(wèi).基于單片機(jī)的智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:205-244.

［2］管連俊,李威.智能超聲波測距傳感器在測井儀中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電,2005(3):45-48.

［3］吳慎山,聶惠娟,吳東芳,付會(huì)凱.智能超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].河南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,35（2）：86-88.

［4］劉成安,孫濤.智能超聲波測距儀的研制[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23（17）：101-102,107.