超聲波測距應(yīng)用研究

莫林夫

本文介紹了基于單片機控制的超聲測距原理：由AT89C51控制超聲波發(fā)射模塊產(chǎn)生超聲波，同時計時，超聲波碰到目標(biāo)物反射到接收模塊的往返時間乘以超聲波傳播速度得到實測距離。并用四位LED數(shù)碼管顯示距離。本方法具有易控制、工作可靠、測距準(zhǔn)確度高、可讀性強和流程清晰等優(yōu)點。實現(xiàn)后的產(chǎn)品可用于需要測量距離參數(shù)的各種應(yīng)用場合。

【關(guān)鍵詞】超聲測距 AT89C51

近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運用超聲波精確測量已成可能。隨著經(jīng)濟發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。隨著機器人技術(shù)在其誕生后短短幾十年中的迅猛發(fā)展，它的應(yīng)用范圍也逐步由工業(yè)生產(chǎn)走向人們的生活。機器人通過其感知系統(tǒng)察覺前方障礙物距離和周圍環(huán)境來實現(xiàn)繞障、自動尋線、測距等功能。超聲波測距相對其他測距技術(shù)而言成本低廉，測量精度較高，不受環(huán)境的限制，應(yīng)用方便，將它與紅外、灰度傳感器等結(jié)合共同實現(xiàn)機器人尋線和繞障功能。超聲波由于方向性強、衰減緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而經(jīng)常用于距離的測量。主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、測距儀、物位測量儀、移動機器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場等，例如：距離、液位、井深、管道長度、流速等場合。利用超聲波檢測往往響應(yīng)速度快，且計算方便、易于實時控制，測量精度也能達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場的要求，因此在現(xiàn)代控制和工業(yè)現(xiàn)場該方法得到廣泛的應(yīng)用。

1 超聲波測距的原理

超聲波是指頻率高于20kHZ的機械波，其頻率較高，波長很短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播，具有優(yōu)異的束射性與方向性。超聲波測距正是利用此特性，首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物反射回來所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。測距的數(shù)學(xué)公式表示為：

S=C×T

式中S為測量的距離；C為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；T為超聲波傳播的時間（T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的1/2）。

2 誤差分析

由超聲波測距公式S=C×T，可知測距的誤差又兩個因素，其一為超聲波的傳播速度誤差，其二為測量距離傳播的時間誤差。

2.1 時間誤差

如果要求測距誤差小于1mm，假設(shè)已知超聲波速度C=340m/s （20℃室溫），忽略聲速的傳播誤差。時間誤差?t≤0.001/340≈0.000029s，即2.9μs。

忽略超聲波傳播速度誤差的前提下，時間誤差精度只要達(dá)到微秒級，就能達(dá)到測距誤差小于1mm的要求。實際測量中用12MHz晶體作時鐘基準(zhǔn)的89C51單片機定時器能可靠的計數(shù)到1μs的精度，即滿足設(shè)計要求。

2.2 超聲波傳播速度誤差

超聲波的傳播速度與空氣的密度相關(guān)，空氣的密度高則傳播速度就快，而空氣的密度與溫度有著密切的聯(lián)系。根據(jù)實際測量經(jīng)驗，超聲波速度與溫度關(guān)系如下：

C≈C0

公式中：T為空氣的絕對溫度。

C0為零攝氏度時的聲波傳播速度332m/s； 超聲波測距過程中就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進去，例如當(dāng)溫度0℃時超聲波速度是332m/s， 30℃時是350m/s。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

單片機控制發(fā)出超聲波，不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差ΔT，然后求出距離S=C.ΔT/2，式中的C為超聲波波速。

首先我們知道AT89C51系列單片機內(nèi)部是有2個16位定時器/計數(shù)器的，那么我們就用這個計時器進行計時。并且該系列單片機內(nèi)部有一個寄存器，我們可以將從計時器獲得數(shù)據(jù)進行處理并寄存在單片機的寄存器中，利用單片機軟件編程與預(yù)存的超聲波傳播速度相乘，得出測量距離通過顯示電路將數(shù)據(jù)顯示出來。超聲波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

單片機發(fā)出40kHZ的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用比較電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為ΔT，等到把數(shù)據(jù)送到單片機后使用軟件對超聲波的傳播速度進行調(diào)整，使測量精度能夠達(dá)到要求。再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送LED顯示。用復(fù)位電路重置系統(tǒng)后可進行下一次測試。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件采用模塊化設(shè)計方法，由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷子程序、溫度測量子程序、距離計算子程序、顯示子程序、鍵盤掃描處理程序等模塊組成。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)整體電路的控制核心為單片機AT89C51。超聲波發(fā)射和接收電路中都對相應(yīng)信號進行整形及放大，以保證測量結(jié)果盡可能精確。超聲波探頭接口實現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。等到把數(shù)據(jù)送到單片機后使用軟件對超聲波的傳播速度進行調(diào)整。整體結(jié)構(gòu)包括超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、放大電路、比較電路、震蕩電路、單片機電路、鍵盤輸入電路、電源電路、復(fù)位電路、顯示電路等幾部分模塊組成。經(jīng)過設(shè)計調(diào)試該系統(tǒng)能夠滿足一般近距離測距的要求，且成本較低、有良好的性價比。當(dāng)今汽車普及到千家萬戶，倒車?yán)走_(dá)的需求不可謂不大，而本設(shè)計方法可以廣泛的應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)的測距中，所以其經(jīng)濟效益非常可觀。

限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計方法。

作者單位

長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南省長沙市 410124endprint