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超聲波測距應(yīng)用研究
長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 莫林夫 2014/12/27 10:55:52
摘要:本文介紹了基于單片機(jī)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(shí)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(qiáng)和流程清晰等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)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(yùn)用超聲波精確測量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人尋線和繞障功能。超聲波由于方向性強(qiáng)、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(jī)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(shí)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。
一、超聲波測距的原理
超聲波是指頻率高于20kHZ的機(jī)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：
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 )。
二、誤差分析
由超聲波測距公式 ，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。
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 ,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(shí)際測量中用12MHz晶體作時鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時器能可靠的計數(shù)到1μs的精度，即滿足設(shè)計要求.
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(shí)際測量經(jīng)驗(yàn),超聲波速度與溫度關(guān)系如下:
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(jìn)去，例如當(dāng)溫度0℃時超聲波速度是332m/s, 30℃時是350m/s。
三、系統(tǒng)硬件設(shè)計
單片機(jī)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△T，然后求出距離S＝C.△T／2，式中的C為超聲波波速。
首先我們知道AT89C51系列單片機(jī)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(jìn)行計時。并且該系列單片機(jī)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(jìn)行處理并寄存在單片機(jī)的寄存器中，利用單片機(jī)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)圖如圖所示；
超聲波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
單片機(jī)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(jìn)行檢波處理后，啟動單片機(jī)中斷程序，測得時間為△T，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測量精度能夠達(dá)到要求。再由軟件進(jìn)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(jìn)行下一次測試。
四、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。
五、結(jié)論
該系統(tǒng)整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89C51。超聲波發(fā)射和接收電路中都對相應(yīng)信號進(jìn)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(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整。整體結(jié)構(gòu)包括超聲（未完，下一頁）
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