超声波测距仪技术

超声波测距仪技术（精选9篇）

超声波测距仪技术 篇1

1 利用超声波的原理

超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的，超声波检测中常用的工作频率在0.25～20 MHz范围内。其基本原理是，超声波脉冲在空气中的传播速度是已知的，根据所测得超声波的时间确定测取的距离。根据数学公式:速度×时间=距离，这就是超声波测量距离的基本原理。

2 超声波测距仪的设计

2.1 发射电路的设计

在超声波发射电路原理的设计图中，我们会看到发射电路主要由反向器74LS04和单片机定时器T1构成，单片机的P3.5口输出40 k Hz方波信号，经过一级反向器后信号被送到超声波发射器的一个电极，另外的信号经两级反向器后进到超声波换能器的另一个电极。输出端是两个反向器并联在一起，其目的是为了提高驱动能力。提高两个电阻，第一是为了可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一个方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短它的自由振荡的时间。

2.2 超声波接收电路设计思路

超声波接收电路包括3部分，超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路。要求超声波探头与发射探头的型号一致，其发射频率要一致。为了确保产生共振和接收效果，在设计中，采用与发射端同型号的压电式超声波传感器。正弦波信号经过探头变换后变得非常弱，所以，要经放大电路进行放大以便更好地接收。然后用红外接收的专用芯片，进行信号接收。常用的38kHz载波频率与测距的40 k Hz的频率较为相近，用它来做接收电路可以使超声波接收电路的设计简单化。

2.3 液晶显示电路设计

液晶显示电路设计采用液晶显示屏，其分辨率较高，常采用4/8位并行、2线或3线串行多种接口方式。这种模块的接口方式十分灵活，操作起来简单方便，可构成全中文人机交互图形界面，可以显示点阵式的汉字。该显示模块不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且价格成本较低。

3 超声波测距技术的应用

3.1 采用超声波测量地面距离

超声波测距技术应用最广泛的莫过于常见的测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等地面距离的测量。由于超声波的非接触检测特点，以及它不受光线、被测对象颜色等的影响，在不利于测量的条件下，仍然具有很强的适应能力。

3.2 超声测距仪技术在机器人技术上的应用

其大致原理是，将超声波源安装在机器人身上，通过人为设计，由它发射超声波，然后接收由障碍物反射回波来确定机器人的自身位置，它充分利用了超声波的易于定向发射、稳定性好的特点，在机器人的研究中越来越受到重视。

3.3 超声波测距技术在倒车警报中的应用

超声波测距技术在倒车警报中的应用，充分利用超声波穿透性好、抗干扰能力强，不受空间电磁波干扰，可靠性高的特点。通过对声、光报警电路芯片设计，定时器的设计，控制器CPU、显示器LED的选择，能在汽车倒车时自动检测并显示车尾与最近障碍物之间的距离，当达到安全极限距离时，它能发出声光警报，提醒司机刹车，减少行车中的安全隐患。

4 影响测距技术的各种因素

4.1 温度对测量结果的影响以及应对措施

于大气中温度的变化以及受到各种外界干扰而分布的不均匀会导致超声波在空气中传播的时候发生衰减。通过研究得声速与温度变化的规律为V=331.5+0.607 t，即在温度变化为1℃时，超声波的速度就变化0.607 m/s。就可以计算出在测量1 m距离时，误差为1.75 mm。鉴于温度对声波传播速度的影响，因此在不同的温度进行测量时，要以不同的声速进行计算。

4.2 接收脉冲的变化对测距的影响

进行超声波测距时，发射头会发射脉冲组成的超声波，超声波被被测物体反射然后再被接收头所接收。在这个过程中，记时是由第一个发射脉冲开始的，但是由于超声波衰减的特性，在实际计算时，会造成一定的延时从而产生误差。

4.3 减少信号传递中的漫反射

超声波在传递过程中，会受周围物体、设施的影响而产生漫反射，导致信号在传递过程中被减弱，因此在测量中，需要根据实际情况选好角度，减少漫反射对测距的影响。

4.4 减少直达波的影响

在超声波的测距过程中，发射传感器发射的测距频率应该是40 k Hz脉冲。脉冲一部分定向被测物体传播并反射到接收头，而另一部分脉冲会直接传播到附近的接收头，对于产生的这种误差，在测量中可以延迟单片机中的“计时器(定时器)”的开启时间，以减少引起的误差。

超声波测距仪技术 篇2

【关键词】超声波传感器；STC89C5 2；测距仪

传感器是现代信息技术的主要内容之一，其中超声波传感器有着广泛、普遍的应用。随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。利用单片机控制超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。

本文所设计的测距仪包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、按键控制、四位数码管显示、报警等子模块。电路结构可划分为：超声波传感器、蜂鸣器、单片机控制电路。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统也是有硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。系统采用STC89C52单片机作为核心控制单元，当测得的距离小于设定距离时，主控芯片将测得的数值与设定值进行比较处理。然后控制蜂鸣器报警。图1为系统总体设计图：

主控制模块设计

STC89C52、超声波传感器、按键、四位数码管、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路。电路中用到3个按键，一个是设定键，一个加键，一个减键。

复位电路模塊设计

单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。

时钟电路模块设计

因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us。

声音报警电路模块设计

用一个Speaker和三极管、电阻接到单片机的P13引脚上，构成声音报警电路。

显示模块设计

数码管使用的是4位共阳极数码管，驱动电路中三极管使用的是8550三极管。其中8550三极管可以和9012三极管通用，都为PNP型三极管。其中三极管是用来做驱动的作用。

按键电路模块设计

按键电路用来设置测距的安全距离有三个按键分别是进入设定键，增加距离键，减少距离键。

超声波测距模块设计

超声波模块采用现成的HC-SR04超声波模块，该模块可提2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回。有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2。

时序图表明只需要提供一个10uS以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40KHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。

误差分析

要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。

超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响。实际情况下，温度每上升或者下降1度，声速将增加或者减少 0.607m/s，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。

结论

对所设计的硬件电路进行测量、校准发现其测量范围0.2cm～400cm内的平面物体做了多次测量发现，其最大误差为3cm，显示最小分辨率为0.01m，测量盲区小于0.15米，且重复性好。该系统通过以STC89C52单片机为工作处理器核心，超声波传感器，它是一种新颖的被动式超声波探测器件，能够以非接触测出前方物体距离，并将其转化为相应的电信号输出。该报警器的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵活；且安装方便、智能性高、误报率低。

参考文献

[1]宋文绪.传感器与检测技术[M].高等教育出版社，2004年

[2]余锡存.单片机原理及接口技术[M].西安电子科技大学出版社，2000年

[3]郁有文.传感器原理及工程应用[M].西安电子科技大学出版社，2003年

[4]景旭文等.超声测距的研究[J].华东船舶工业学院学报，1994年

作者简介

张野（1988—），男，辽宁朝阳人，沈阳理工大学硕士研究生，研究方向：图像信息处理技术。

基金项目

超声波测距仪技术 篇3

在汽车故障检测的过程中, 由于人工检测存在着很大的误差, 不利于维修工作的顺利开展, 因此, 需要借助于一些检测技术, 采用智能检测的方法进行检测, 这样才能够确保检测的准确性。在如今的汽车维修行业中, 超声波测距技术被广泛的应用于汽车故障检测中, 超声波测距技术具有检测的准确性高, 检测时间短等优势。在汽车检测实际应用的过程中, 需要了解超声波测距技术的相关原理及其影响检测准确性的相关因素, 才能够利用超声波测距技术做好汽车维修与检测工作, 下面针对于超声波测距技术在汽车维修与检测中的应用进行了具体的探讨。

1 超声波测距技术原理

超声波测距技术主要是利用压电晶体的谐振进行工作的。主要就是通过测得的超声波的时间进行距离的测定, 并且根据数学公式:速度×时间=距离。而在汽车维修检测中, 也是通过运用超声波测距技术的原理进行故障的检测, 进而运用速度, 时间和距离的关系分析出汽车故障的位置及其原因[1]。

2 超声波测距技术在汽车维修与检测中的应用

2.1 在单元电路设计中的应用

在汽车维修和检测的过程中, 会经常用到控制电路、超声波测距电路、显示电路、语音播报电路等, 这些都属于单元电路, 在本文中提到的超声波测距技术在这些单元电路中都有应用。例如, 控制电路在设计上是通过一个系统板来控制电路发射出一连串的信号, 再经过放大来接受反射回来的信号, 通过信号的发射和反射, 可以计算出相应的距离, 然后再通过LCD显示模块将其显示出来, 并进行语音模块将信息播报出来[2]。超声波测距电路与控制电路有些相似, 开始也是要通过特点的传感器来发出信号, 有所不同的是它要被动的接受信号, 并不是通过反射来接受的, 而, 是通过超声波的发射到接受的时间差实现测量距离的;显示电路主要应用到LCD液晶显示器上, 是通过传感器超声波发出到接受的过程来测定车辆与障碍物的距离, 并通过LCD液晶显示器显示出来;语音播报电路与LCD显示器一样都是一种本身具有的表态形式, 将超声波测量、检测的结果用语音的形式播报出来。可以通过这些单元电路来检测车辆的形式动态, 另外还有很多设备中也应用到超声波测距技术, 这些软件对车辆的维修和检测工作都起到了重大作用[3]。

2.2 在软件设计中的应用

超声波的发射和接受程序软件, 在汽车维修和检测中经常用到, 例如, 计时器的开始计时和结束计时, 是通过超声波的发射来启动计时程序, 主要是采用超声波发射序列来实现定时的功能, 再通过外界方波的序列终端计时程序, 使计时结束;液晶显示程序软件, 是与超声波有着密不可分的联系, 尤其是显示器上的颜色指示灯, 可以根据超声波的超差距离、实测距离、合格距离等综合判断来显示不同颜色的指示灯, 明确的表示出汽车的检测状态。

2.3 超声波在汽车检测中的设计方案比较

超声波应用到汽车检测设计中, 主要以三种检测方案进行的。 (1) 直接检测方式, 是对两个不同的位置进行直接检测的方式, 检测结果经过视频放大器可以设定多倍显示, 但是, 这个过程中需要使用变压器, 不利于相关的调试工作; (2) 一体式反射检测方式, 需要做好发射和接受时电路的转换工作, 该检测方案如果是在距离较近的情况下, 会存在无法检测的盲区, 而且, 在试用中很容易产生震荡的现象, 使汽车的检测工作不准确;分体反射检测方式, 是一种串联方式的检测方案, 在这种串联谐振频率下, 超声波的发射器可以具有较高的灵敏度, 而且, 接收器还会在反谐振平率下也一样具有较高的灵敏度[4]。因此, 使用分体式反射检测方式, 不仅便于调试, 而且, 在检测的过程中就算距离近也不会产生盲区的现象, 有效的提高汽车检测的效率, 但是, 在使用该方式时需要注意的是, 由于使用的超声波接收器的电压高低之间大概有100倍的差距, 因此, 必须要采用高速型的运算放大器才能让这种检测方式发挥出更大的检测效果。

3 影响超声波测距技术的因素

3.1 温度

在应用超声波测距技术的过程中, 需要充分的考虑温度对其的影响, 如果汽车维修人员在采用该技术进行检测的过程中, 忽略了温度, 将会严重的影响到检测结果的准确性。主要是由于温度的变化会影响到超声波的传播速度, 并且温度越高, 超声波的传播速度会越快, 进而影响到计算结果的准确性[5]。因此, 在采用超声波测距进行检测的过程中, 需要根据大气的温度, 确定超声波的传播速度, 再进行计算, 这样才能够确保检测结果的准确性。

3.2 接收脉冲的变化

接收脉冲的变化也对超声波测距技术检测的准确性具有影响。由于超声波具有衰减的特征, 而在实际的检测中, 在接收脉冲的过程中, 存在着一定的延时性, 这样在具体的对超声波进行计算的时候, 就会出现一定的误差, 影响到计算结果的准确性。因此, 在汽车维修检测的过程中, 需要充分的考虑到接收脉冲的变化。

3.3 信号传递中的漫反射

由于在超声波传播的过程中, 会受到物体的影响导致漫反射问题的出现, 进而影响到检测的结果。因此, 要想在实际的测量中避免这类问题的出现影响到检测的准确性, 需要根据实际的检测地点, 选好检测的角度, 尽量的减少信号传递过程中的漫反射, 有助于检测结果的准确, 为汽车维修工作提供有效的数据依据[6]。

3.4 直达波的影响

在利用超声波测距技术进行检测的过程中, 还会受到直达波的影响, 由于一部分脉冲会被测物体传播并反射到接收头, 而另一部分脉冲会直接传播到附近的接收头, 进而导致测量误差的出现, 如果在进行结果计算的过程中, 采用该种结果进行计算, 会严重的影响到检测结果的准确性, 不利于检测工作的顺利开展。

4 结束语

本文主要针对于超声波测距技术在汽车维修与检测中的应用进行了具体的分析和研究, 通过本文的探讨, 我们了解到, 在汽车维修行业应用超声波测距技术的时候, 需要全面的了解其原理及其影响超声波测距技术的各种因素, 进而根据汽车维修和检测的实际特点, 在检测的过程中对于各种影响因素进行规避, 能够有效的减少测量误差的出现, 提高检测的准确性, 使超声波测距技术更好的为汽车维修工作服务, 促进汽车维修工作的顺利进行。

参考文献

[1]仇成群, 胡天云.基于超声波的汽车防撞报警系统的设计[J].制造业自动化, 2009 (04) .

[2]魏泉.超声波测距技术在轨道吊防撞功能中的应用[J].港口科技, 2009 (07) .

[3]王祖麟, 谢毓.超声波测距在汽车停车泊位中的应用[J].轻型汽车技术, 2009 (Z3) .

[4]廖通.汽车维修故障诊断的实用方法[J].科技创新导报, 2009 (24) .

[5]王启宇.超声波测距系统的研究[J].农机使用与维修, 2009 (03) .

超声波测距仪技术 篇4

关键词：超声波测距，RBF网络，非线行误差校正

1、引言

超声波测距具有信息处理简单、快速和价格低，易于实时控制等许多优势，它被广泛的应用在各种距离测试的设备中。但超声波传感器在实际应用中也有一定的局限性。在超声波测距中，由于超声波传感器本身的结构和受外界温度等因素的干扰，其输入输出特性呈明显的非线性，靠硬件或软件补偿修正的方法对提高其测距精度的效果不大。所以，本文提出了基于径向基函数神经网络实现超声波传感器的建模，对超声波测距进行温度补偿和非线性误差校正的方法。

2、用 RBF神经网络改善超声波测距的精度

２.１神经网络实现非线性误差校正的原理

设超声波传感器要测量的实际距离为 d，实际距离d决定t2-t1，环境温度为T，超声波传感器测量输出的结果为h，经RBF网络校正后的距离为Dr，则超声波传感器测距系统可以表示为 h=f(d，T)，由于传感器产生的非线性误差和温度的影响，使得 f(d，T)呈现非线性特性。校正的目的是根据测的 h求未知的 d，即 d＝g(h，T)，也就是需要建立超声波传感器的模型其原理可以表示为图 1所示。

超声波传感器输出 Dr通过一个补偿模型，该模型的特性函数为Dr=g(h，T) ，其中Dr为非线性补偿后的输出， g(h，T)显然是一个非线性函数。通常非线性函数的表达式很难准确求解，但可以利用神经网络能很好地逼近非线性函数的特点，通过建立神经网络模型来逼近该非线性函数。本文选取RBF神经网络模型。

２.２ RBF 神经网络

RBF网络是一种局部逼近网络。它对于每个输入输出数据对 , 只有少量的权值需要进行调整。它采用一组正交归一化的基函数 —— 径向基函数的线性组合来逼近任意函数。

常用径向基函数有高斯函数、多二次函数、薄板样条函数等。由于输入矢量直接映射到隐层空间 , RBF的中心确定后 , 这种非线性映射关系也就确定 ,因此 RBF的学习算法首先要确定径向基函数的中心 ,本文径向基函数的中心采用高斯函数（Radbas(n)=e-n2）,其隐含层的输入输出模型如图２。

对于本文的超声波传感器逆模型的RBF网络模型，输入为h和T，训练后的实际输出为Dr，期望输出为d。超声波传感器非线性校正逆模型采用RBF网络，输入层2个节点，输出层1个节点，扩展系数为0.5（实验结果表明扩展常数为 0.5 时对应隐含层神经元个数适中，故扩展常数选为 0.5），通过测量获取了50组数据集作训练样本，将输入量作归一化处理后，按照上述的RBF神经网络的学习方法学习。神经网络的训练和仿真是在Matlab 6.5环境下，通过神经网络工具箱，编制相应的程序而实现。

在matlab上应用 RBF神经网络进行仿真温度补偿和非线性误差校正后，系统的测距精度大大提高，表 1所示为未经神经网络处理和神经网络处理后的测距比较。

比较结果表明，神经网络处理后的结果与实际距离很接近，精度大大提高了。

3、结束语

实际应用中，超声波测距易受温度等多种因素的影响，利用RBF神經网络良好的非线性逼近特性、自适应能力学习能力，可优化超声波的输出特性，而且网络结构简单，便于单片机实现或固化在硬件中。仿真结果表明，利用RBF 神经网络能很好地逼近非线性函数，实现了超声波传感器建模，对传感器进行非线性误差校正，效果相当明显，大大提高了超声波测距的精度，使其测距误差控制在毫米级以内，这是采用其它校正方法是无法达到的。

参考文献：

[1]谭超，许泽宏，李维一，付小红，王健．基于小波神经网络建立虚拟仪器非线性较正型[J]．微计算机信息，2005．12（1）P157-159．

[2]田社平．基于神经网络模型的传感器非线性校正．（英文） 光学精密工程．2006

[3]Binchini M，Frasconi P，Gori M. Learning without local minima in radial basis function networks.IEEE Trans. on Neural Networks, 1995，6(3)：749～755）

[4] Xianzhong Dai， Ming Yin， Qin Wang． Artificial neural networks inversion based dynamic compensator of sensor.IEEE，2004，10：258－261

[5]许东．基于MATLAB 6.X的系统分析与设计[M]．西安电子科技大学出版社．2002

超声波测距仪的设计 篇5

超声波测距在很多距离探测应用中具有重要的用途[1,2], 特别是在空气测距方面的用于尤为突出。由于信息在空气中的传播速度较慢, 其回拨信号中所包含的沿传播方向的信息很容易被检测出来, 因而具有很高的分辨能力, 而且其准确度也比其他方法高;此外, 超声波传感器由于体积小、结构简单、信号处理可靠等特点受到了越来越广泛的应用。目前, 基于超声波精确测距的需求也越来越大, 如油库和水箱液面, 机械内部损伤的检测和物体内气孔大小的检测等, 都会用到超声波对其进行测试[3,4]。文章介绍了用AT89S52单片机设计实现超声波测距仪的原理和思路。

1 系统设计原理与思路

图1是系统设计的总体的结构框图, 图2是系统设计的软件流程图。

超声波传感器在40k Hz时其声压能级、灵敏度最大, 所以本设计所采用的超超声波传感器的频率为40k Hz。本设计测量距离的方法为采用电平触发方式, 其具体工作原理如下:工作时单片机输出口向超声波测距模块发射出脉宽至少为10us的高电平信号, 以便使超声波发射模块发射超声波, 同时由单片机中的定时器模块开始计时, 超声波在空气中进行传播, 当碰到目的障碍物时, 超声波发生反射并由超声波接收模块接收回波, 当有信号返回时, 单片机通过输出口输出一高电平脉冲, 高电平持续的时间就是超声波从发射到返回所用的时间[2]。假设超声波往返的时间为t, 根据L=vt/2便可以计算出超声波收发器与障碍物之间的具体距离, 这种方法就是通常所说的的时间差测距法。其中v为超声波的在空气中的传播速度, 其具体值与环境温度有关, 在测量精度要求比较高的场合中要考虑到温度的影响, 可由软件进行相应的调整补偿;在测量精度要求不是很严格的情况下, 可以忽略温度对测量的影响, 认为v为常数, 并取v=340m/s。由此可得:

t=TH0*256+TL0

L= (t*1.7) /100

式中TH0、TL0—计数器T0的计数开始和终点时间值。L为测距仪和障碍物之间的距离。

测距仪测量出的结果将以十进制形式传送到系统的显示模块中显示出来, 然后再由测距仪发射超声波脉冲重复测量。

2 实验结果分析

按照以上步骤完成超声波测距仪的安装和调试后, 对所设计的具体的测距仪进行实际的数据测量。为了使测量结果可靠, 并且考虑测量过程中存在着的许多外界因素的干扰, 测量多次数据, 并将数据整理如下。

为了保证测量结果的准确性, 对每一组数据进行3次测量, 对所测的每组数据去掉一个最大值和最小值, 然后再求其平均值, 用来作为最终的测量结果数据, 最后将结果进行比较分析, 这样处理数据也具有一定的科学性和合理性。从表中的数据可以看出, 测量结果一般都比实际值要大, 总体上看测试结果的准确性还是比较高的, 误差比较小。

3 结束语

超声波测距在很多距离探测应用中具有重要的用途, 本系统介绍了AT89S52单片机设计实现便携式超声波测距仪的原理和思路, 由于采用时间差法测距, 系统在近距和远距都可以实现精确测量, 所以系统的测量应用范围更广。

参考文献

[1]沈红卫.基于单片机的智能系统的设计与实现[M].北京:电子工业出版社, 2005:205-244.

[2]管连俊, 李威.智能超声波测距传感器在测井仪中的应用[J].煤矿机电, 2005 (3) :45-48.

[3]吴慎山, 聂惠娟, 吴东芳, 付会凯.智能超声波测距系统的设计[J].河南师范大学学报:自然科学版, 2007, 35 (2) :86-88.

超声波测距仪的设计 篇6

在超声探测电路中, 发射端发射一个方波, 一般取40KHZ。这个超声波在发射之后遇到障碍物反射回来再由探测电路接收, 这个时间间隔即为超声波的传输时间。实际上这个时间为波形传输2倍距离的延时。一般的在常温常压下这个时间为一个常数, 一般在精度不高的情况下取331.45米/秒。被测物距离越大, 时间脉冲宽度越大, 与被测距离成正比。测量输出脉冲的宽度, 即发射超声波与接收超声波的时间间隔t, 故被测距离为S=1/2vt。如果测距精度要求很高, 则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。由单片机负责计时, 由于在定时器方式2下, 定时非常准确, 所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。

本超声波测距仪采用AT89S52单片机, 晶振:12M, 单片机用P1.0口输出超声波换能器所需的40K方波信号, 利用外中断0监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单的LCD1602液晶显示模块。该显示模块编程简单, 显示内容丰富非常适合应用在微型测量设备上。超声波驱动电路采用与非门进行波形整形和放大, 可达到非常稳定的超声波信号。超声波接收放大采用CX20106, 该芯片具有增益可调的40KHZ滤波放大电路, 频率选择性好, 同时外部电路非常简单。

超声波测距的算法设计:超声波在空气中传播速度为每秒钟331.45米。假定超声波传输的时间脉冲宽度为0.002s, 实际上由发射到障碍物的时间为0.001s, 则发射器到障碍物的距离为331.45m/s×0.001s=33.145cm。可见如果发射器到障碍物的距离小于10cm, 则要求单片机的中断反应时间是非常短的, 常常为微秒级。故可采用定时器方式2非常适合。但是在测量距离较远的情况下超声波传输时间会达到毫秒级。这时就会发生多次定时器溢出的情况, 在这种情况下, 一般可以采用对多次定时器溢出进行计数统计的方法进行时间计算。为了能够使测距仪能够在近距离和远距离都能够具有一定的测量精度, 这就要求程序能够判断不同的情况进行不同的时间统计计算。另外由于单片机在运算时考虑到运算速度应采用无符号的整形数据变量, 在数值上应对计算公式进行处理比如当波速取331m/s时应变为0.0331cm/us。这样在进行计算时可以先将数值扩大100或1000倍在乘以传播的脉冲宽度时间。例如传播时间为100us, 则经过处理的数值为33×100=3300。这样在输出数值时只需将数值显示为3.3cm就可以了。怎样完成由数值到显示字符的变换呢?首先要根据需要将数值的每一位存入不同的变量, 在利用数值与其ASCII码的关系进行变换就可以了。同时小数点也是这个时候加进去的。可见, 只要能够利用好近似计算就能够保证测量的精度, 同时也能兼顾测量速度。超声波测距器的系统框图如图所示。

硬件设计部分:超声波测距仪采用AT89C52单片机, 系统主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。利用定时器产生40KHZ方波信号, 该信号直接送给CD4011组成的驱动电路放大并加在超声波发射换能器上。同时打开接收中断控制, 利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号, 显示电路采用简单的LCD1602单色液晶屏。在具体设计中要注意远距离测量中超声波的衰减比较大可适当调整接收器的角度, 同时增大接收放大器的增益来达到良好的接收效果。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间, 以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序, 测距仪能测的范围为0.07~5.5m。

软件设计:软件分为两部分, 主程序和中断服务程序, 主程序完成初始化工作、超声波发射和接收顺序的控制和显示扫描。定时中断服务子程序完成超声波的发射, 外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。在设计软件时一定要考虑到不同距离超声波传播时间的大小和将来测量误差的关系, 利用实验的方法进行误差修正, 使无论将系统用于大距离和小距离测距时都能保证较精确的测量。同时在显示结果时注意考虑到测量结果是否在测量范围内, 做出准确的判断和显示, 这样才能保证测距仪有良好的人机互动。

参考文献

[1]胡萍:《超声波测距仪的研制》, 《计算机与现代化》, 2003.10。

[2]李华:《MCU-51系列单片机实用接口技术》, 北京航空航天大学出版社, 1993.6。

[3]张谦琳:《超声波检测原理和方法》, 中国科技大学出版社, 1993.10。

基于单片机的超声波测距仪设计 篇7

目前,常用的测距方法主要有毫米波测距、激光测距和超声波测距三种。超声波测距较前两种测距方法而言,具有指向性强、能耗缓慢、受环境因素影响较小等特点,广泛应用于如井深、液位、管道长度、倒车等短距离测量。

本设计选用频率为40kHz左右的超声波,它在空气中传播的效率最佳[1]。在超声测距方法上,本文选用渡越时间法,据文献[2]所提供的数据,渡越时间法简单,成本低,可应用的距离范围较大,可测量的范围为0.39~10.3 m。由于超声波测距主要受温度影响较大,所以本设计增加了温度补偿电路。本设计具有电路简单、操作简便、工作稳定可靠、测距精确和能耗小、成本低等特点,可实现无接触式测量,应用广泛。

1 超声波测距仪工作原理

1.1 超声波测距原理

根据超声波发射后返回的回波幅值、相位和超声波发出到返回的时间差不同,有声波幅值检测法、相位检测法和渡越时间法。本文采用渡越时间检测法,其基本思想如图1所示,发射器发射超声波,经过障碍物反射后被接收器接收,测量发射器和接收器发射和接收超声波的时间差,利用式(1)即可测得障碍物与测试点之间的距离L:

式中:c为超声波在空气中的传播速度;t为超声波在空气中传播的时间。

同时,超声波在空气中的传播速度c受环境温度τ的影响较大,考虑了环境温度对传播速度的影响后,距离公式修正为:

1.2 超声波换能器

超声换能器是基于正(负)压电效应制成的声电传感器,在超声频率范围内将交变的电信号转换成为声信号(正压电效应),或者是将声信号转换成为电信号(负压电效应)。

本文选用防水型收发一体式双晶片压电振动式超声换能器TCF40-25TR[3],其主要性能指标如下:

(1)中心频率:(40±1)kHz;

(2)发射声压:在10V(0dB=0.02 mPa)时大于等于100dB;

(3)接收灵敏度:在40kHz(0dB=V/Pa)时大于等于-55dB;

(4)静电容量:在1kHz,小于1 V(PF)时为2 000±20%;

(5)余振时间小于等于1.2ms;

(6)波束角度特性如图2所示。

1.3 超声波测距的波速特性与超声测距的盲区

超声波从换能器发射后,在空间传播是有指向性的,指向性最强的为主瓣,其余的为旁瓣,如图3所示。超声波的这种指向性的存在可以达到定向集中能量和减小干扰的目的。然而,旁瓣的出现还是造成了一定的干扰。如图4所示,从障碍物返回的超声波主瓣被接收器接收,同时,直接从超声波探头发出的旁瓣也可能被接收,造成旁瓣干扰。

通常,在用渡越时间法测距的过程中,压电换能器中的振子产生机械振动而发出超声波,驱动脉冲停止后,压电换能器将由于惯性继续振动而产生余振,反映到接收端的信号上,产生“拖尾”[4],如图5所示。因此,在软件处理上需要加入一段延时,略过这段时间。常将“拖尾”时间设置为1 ms。设标准状况下,声速为331.6m/s,则不可测距离为331.6 m/s×10-3=0.33m,此即测距盲区[5]。

2 超声波测距仪的硬件设计

超声波测距需要用到两个参数:超声波从发射到接收的时间t及环境温度τ。因此相应地,超声波测距仪的硬件系统包括单片机及其外围电路、超声波发射电路、超声波接收电路、温度补偿电路和显示电路等。其硬件系统框图如图6所示。

2.1 单片机及其外围电路的设计

在本设计中,主控芯片选择的是单片机AT89S52。最小系统由AT89S52芯片以及外围电路组成(如图7所示)是整个超声波测距系统的核心部分。

2.2 超声波发射电路

超声波发射电路在测距时通过方波发生器产生脉冲信号,从而激发压电换能器发射超声波。为了提高超声波的发送能力,让其可以传输更远的距离,需要对信号电压进行放大[6]。因此,超声波发射电路主要包括方波发生器和升压电路,如图8所示。

本文选择NE555芯片搭建超声波发射电路。双极型555时基电路的电压范围为4.5~15V,而CMOS型的电源适应范围更宽,为2~18V。可以和模拟运算放大器及TLL或CMOS电路共用一个电源。555时基电路中,4脚为复位输入端,当4脚为低电平时,输出脚3稳定输出低电平;需要555时基电路输出波形时,4脚应当接高电平或者悬空。方波产生以后需要对方波信号的电压进行放大,因此要求电路产生足够大的驱动电压。本设计中用MAX232对电路进行升压,只需要+5V电源供电。

2.3 超声波接收电路

超声波接收电路的作用是将超声波探头接收到的微弱信号放大、滤波和整形后,输出台阶信号,提示单片机计算超声波在空气中的传播时间t。

本设计中,超声波接收部分采用红外遥控方式,所用调制芯片为CX20106A,其调制频率为38~40kHz,采用脉冲位置调制法(PPM),提高了红外接收的抗干扰性能[7]。

超声波接收电路如图9所示。回波信号整形输出为方波信号,之后输入单片机的外部中断0的输入端P3.2,以计算接收到超声波回波的具体时刻,从而确定超声波在空气中的传播时间t。

2.4 测温电路

本设计采用的温度传感器是DS18B20。它无需任何外围硬件,直接将温度数字信号输入单片机P1.1口。同时,垓芯片可从单片机I/O口取电,而无需额外电源。DS18B20片内含有一个64位的ROM,用于存储自身的序列号,作为器件独有的ID号码,尤其适合进行多点温度测量。该芯片的的测温范围为-55~125℃,在-10~85℃范围内精度为±0.5℃;适用电压范围为[8]3.0~5.5V。测温电路如图10所示。

2.5 显示电路

本设计中采用四位一体共阳极数码管SM410564作为显示器件。其非公共端接到单片机的P0口上,公共端接到P2口的P2.0~P2.3四个引脚上,以动态扫描的方式进行扫描。由于P2口的驱动能力有限,因此数码管的公共端没有直接接到P2口上,而是通过P2口控制四个三极管的导通与关断来给数码管供电的。显示电路如图11所示。

3 超声波测距仪的软件系统设计

超声波测距的软件系统主要包括主程序、外部中断程序、定时中断程序,以及需要调用的若干个子程序。

3.1 主程序

主程序流程图如图12所示,系统初始化后调用超声波发射子程序送出一个超声波脉冲,为了避免超声波从发射器直接传送到接收器而引起直射波触发,延时后,方打开外中断0接收返回的超声波信号。主程序检测到成功接收的标志位后,进入计算子程序,获得被测物体与测距器之间的距离。

3.2 测温子程序

测距时,单片机与DS18B20通信经过如下三个步骤:对DS18B20复位、复位之后发送ROM指令、发送RAM指令。由于本设计为单点温度测量,只用到一片DS18B20,所以,发送的ROM指令为跳过ROM指令(0CCH)。测温子程序流程图如图13所示。

3.3 定时中断程序

定时中断程序的作用是判断发射时间、延时时间和接收时间。在不同的时间间断内,确保系统内的全局变量S作出相应的变化。定时中断程序的流程如图14所示。

4 结论

本文设计了一种基于单片机的超声波测距仪。设计中采用MAX232对电路进行升压,提高了超声换能器的输出能力,从而提高了测距的距离。采用了红外接收芯片CX20106A,减少了电路之间的相互干扰,提高了接收信号的灵敏度。同时,设计中采用数字温度传感器DS18B20为温度补偿电路,提高了测量精度和智能化程度,并在一定程度上降低了系统成本。本超声波测距仪经试验运行良好,性能优良、成本低、能有效改善测量技术,适合于机器人检测、家具安防、汽车倒车等小距离测量。

摘要：介绍了一种基于单片机的超声波测距仪的设计。详细给出了超声波测距仪的工作原理、超声波发射电路和接收电路、测温电路、显示电路等硬件设计,以及相应的软件设计。设计中采用升压电路,提高了超声换能器的输出能力;采用红外接收芯片,减少了电路间相互干扰,提高了灵敏度;同时,考虑了环境温度对超声波测距的影响,采用温度传感器,提高了测量精度。该设计试验运行良好,系统结构简单、操作方便、价格低廉,具有广阔的推广前景。

关键词：超声波测距仪,超声波换能器,单片机,温度传感器

参考文献

[1]林元新.超声波测距和汽车防撞雷达的设计[J].汽车电器,2006(12):52-55.

[2]韩赞东,陈强,尉昊赞.超声定位技术在汽车安全预警系统中的应用[J].测控技术,2002,21(8):10-14.

[3]苏州品科电子有限公司.TCF40-25TR压电陶瓷超声波传感器(规格书)[M].苏州:苏州品科电子有限公司,2009.

[4]郡晓田,代清友,田联房.减小超声测距盲区方法的研究[J].微计算机信息,2009,25(1-2):272-273.

[5]张红莲.基于单片机的超声波测距系统的设计[J].可编程控制器与工厂自动化,2008(9):89-91.

[6]王维斌.超声波测距系统的设计[J].电子技术,2009(5):18-20.

[7]瞿贵荣.红外解调器CX20106A原理与检修[J].家庭电子,1997(7):33.

超声波测距仪技术 篇8

1 超声波的测距原理

超声波发生器内有一个共振板和两个压电晶片,当它的外加脉冲信号频率等于压电晶片的固有频率时,压电晶片会产生共振,并带动共振板一起振动,这样就产生了超声波[2]。在电路中,本文采用红外结合超声波的方式来实现测距主要是利用红外传输的快速性、及时性的特点,使用对板发射、接收来实现测距,以解决利用反射原理实现的超声波要经过反射而损耗大量能量导致测量距离比较短的问题。在系统设计中,首先,设定两块板为主从板,主板先发射,从板处于接收状态。主板发射完毕后切换模式为接收状态,从板相反。由于红外的传输速度为光速,可以认为是无穷大,从板一捕获到红外信号即可开启计数器计数,等再次捕获到超声波信号时,停止计数。其间的时间差,即为超声波的传输时间T,则计算的距离S=V×T。

2 系统软硬件设计

系统硬件结构分为单片机控制超声波的发射、接收波的放大、数据处理和显示4个部分。其结构如图1所示。

2.1 红外和超声波发射电路设计

在超声波测距系统中,40 k Hz的超声波信号是最理想的信号,而红外的最佳频率为38 k Hz。其硬件组成电路如图2所示。在超声波发射电路中,由R4、C9和D1构成D-R-C吸收电路来保证三极管Q1能够稳定可靠地工作,而不会损坏。红外的38 k Hz和超声波的40 k Hz频率的方波由STM8单片机的定时器产生。图3为超声波电路中L2和超声波探头P1以及C10共振的波形图,衰减了10倍。图4为红外发射波形图。

2.2 红外和超声波接收电路设计

本系统中红外接收电路主要由HS0038B红外接收管和R32、C23和R33构成,取得的红外信号IRR直接输入STM8单片机的捕获功能引脚作为计数器的启动信号,红外接收电路如图5所示。红外信号接收管HS0038B接收到红外信号输入STM8单片机的捕获中断引脚后经过滤波处理和判定为有效值时,即开启计数器开始计时。

超声波接收电路主要由接收头、三级三极管放大电路和包络检波电路、滤波电路等组成,其电路如图6所示。当接收到超声波信号时,计数器立即停止计数以计算出时间差T。

图7为超声波接收端波形放大及经典的二极管检波电路之后输出的超声波接收端信号波形,其通过比较器输入到STM8单片机的另一个捕获引脚来控制定时器的停止。

2.3 系统软件设计

STM8单片机控制器主要完成红外和超声波的中断响应、发射定时以及产生38 k Hz和40 k Hz的方波来驱动各自的三极管以及红外与超声波接收信号的滤波、数据处理、距离计算和实测距离的显示。系统程序流程如图8所示。

本红外-超声波系统主要应用在工业梁上的运动吊车上。经实践应用证明,该系统测量距离可满足大于10 m的要求,克服了反射式超声波测距仪测量距离只能达到5 m左右的问题,同时消除了反射式超声波测距仪存在的测量盲区,测量精度小于1 cm,可靠性高,超过了实际的应用要求。初步可以满足产业化的需要,经改进可升级成智能化的超声波测距仪。

参考文献

[1]陶建平,伊文庆,柳军.基于DSP和单片机的超声波测距系统[J].科学技术与工程,2010,10(3):763-764.

超声波测距仪技术 篇9

关键词：超声波传感器,测距仪,MSP430F123

下图1可以简单说明超声波测距的工作过程, 即超声波发生器 (T) 在某一时间发出超声波信号, 当这个信号遇到被测物体后立刻反射回来, 就被超声波接收器 (R) 接收到。只要计算出从发射出超声波信号到接收到返回超声波信号所用的时间差, 就可以算出超声波发生器和被测物体之间的距离了。

该距离计算公式表示为:d=s/2= (vt) /2

其中:其中距离d就是被测物体到测距仪之间的距离, s就是超声波往返经过的距离, v就是超声波在介质当中的传播速度, t就是超声波开始发射到接收时所用时间。

1 主程序设计

主程序完成单片机初始化, 经过延时再判断是否中断, 若是则进行测量数据的处理;若否则跳转回延时再判断是否中断, 重复判断。数据处理后将处理过后的数据即测量的距离显示在数码显示管上。其主程序流程图如图2。

2 中断设计

上述主程序是利用外中断0检测到返回超声波信号的, 一旦接收成功返回超声波信号, 就立即进入了中断程序。进入中断程序后就会立即关闭计时器T0, 同时停止计时, 并可以将测距成功标志字赋值为1。如果计时器溢出时候还没有检测到超声波的返回信号, 那么定时器T0的溢出中断将会外中断0立即关闭, 同时将测距成功标志字赋值2, 表示此次测距失败。中断设计流程图如图3。

3 测温程序

每一个DS18B20在它的内存ROM中都存在其唯一的48位序列号, 出厂前都已写入内存ROM中。操作主机前, 进入时必须用读取ROM (33H) 命令将该DS18B20的序列号一一读出。

图4所示为测温程序流程图。

4 测距程序

主程序首先应该对系统环境进行初始化, 设置系统定时器T0的工作模式为16位定时计数器模式, 置位总的中断允许位为EA, 并同时给显示端口P0口和P2口清0。紧接着立即送出一个超声波脉冲, 为了避免超声波产生的直接波触发, 则需要延迟0.1ms后, 才可以打开外部中断0接收到的返回超声波信号。

其测距流程图如图5所示。

5 结论

本次设计的超声波测距仪具有准双向测距的功能, 稳定性很高、较灵敏, 盲区范围很小, 分辨率<0.2m, 被测量的目标不需要直接垂直于测距仪, 测量的角度可以保持在正负30°, 还有一个优点就是被测的目标表面可以不平坦。但是缺点还是比较多的, 比如测量的距离较小, 大概在5米以内;测量时的可靠性还要加强, 后续很多地方还要进行改进。

参考文献

[1]张谦琳.超声波检测原理和方法[M].北京:中国科技大学出版社, 1993.

[2]周立功.RAM嵌入式系统基础教育[M].北京:航空航天大学出版社, 2005.