1、高精度的超聲波測距系統張平，郭慧機電工程學院，中國電子科技大學成都，611731，中國郵箱：zhangping3344521163.con摘 要超聲波易于傳輸，具有良好的反射性能，它的速度遠遠低于飛行速度，所以設計了一種基于STC89C52RC的超聲波測距系統，該系統可在有關范圍內有效372厘米，經過反復試驗，測量誤差可以小于到1厘米，所以該系統可應用于智能障礙與車輛運輸和其他系統。關鍵詞 單片機 超聲波 發送 接收 測距 溫度補償1 引言目前，超聲波測距的主要方法包括脈沖反射波法、相位調制頻率調制和FFT-based方法。在這些方法中，脈沖反射波法具有良好的適應性,這種方法不僅可用于手工測試

2、，而且可結合到自動化系統中。所以它最廣泛使用是在家里和船上。目前，微波和激光理論測距已應用于超聲波測距系統。它可以是一個很好的研究。另一方面，過濾和分析的回聲也可以吸引更多的和許多專家和學者的關注。隨著提高超聲波理論的理解，我們知道如何提高精度和抗干擾能力將是最重要的性能指標。在本文中，脈沖回波理論是用來整個系統的設計。下面的內容主要是分為三個部分。第一部分介紹該系統的硬件體系結構。第二部分介紹了系統的軟件處理。第三部分描述了數據處理技術。在這種情況下，讀者可以有一個全面的對系統的理解。2 超聲波測距系統的原理 考慮了實際工程的需要，我們選擇超聲波，頻率為40千赫。超聲波傳感器是這種裝置可以感

3、應聲音和電力，也被稱為超聲波換能器、超聲波探頭。在某些頻率范圍內，它可以將電信號轉換為體外超聲信號或改變外部超聲信號為電信號。在本文中，我們選擇T / r40-12超聲壓電換能器，它的工作頻率40千赫，它的外部直徑12cm。超聲波發生器發出的超聲波信號在一個一定的時間里，超聲波信號經過被測對象反射后，超聲波接收器能接收信號，只要我們記錄發送的時間和接收時間，我們可以計算出從超聲波發送地到被測物體的距離。這個距離計算公式為： D=S/2=VxT/2 （1） D是測距裝置和測量對象之間的距離S超聲波運輸距離V是超聲波的速度。T是時間，由于超聲波一種聲波，速度會受溫度影響。因此在本文中，它使用的方法

4、為溫度補償發，提高了系統的精度。3 該系統的硬件 超聲波測距系統的框圖系統圖1。硬件部分主要包括單片機系統，顯示電路，溫度補償電路和發送和接收超聲波電路。圖1 本系統的框圖A 發送超聲波電路 發送超聲波原理圖2。發送電路主要包括逆變器和超聲波換能器。 首先單片機P1.0端口是反向的，一端連接超聲波傳感器，然后反轉，連接到另一個的超聲波換能器。通過這個推拉式的方法，我們可以提高超聲的發光強度。并聯逆變器，我們可以增加輸出驅動能力。上拉電阻R1和R2不僅增加輸出高電平驅動能力，但同時也增加了超聲換能器的阻尼效果，縮短它的自由振蕩。圖2 發送超聲波電路B 接收超聲波電路 接收超聲原理圖3，專用集成電

5、路 CX20106用于檢測紅外?？紤]到CX20106攜帶頻率為38kz這是非常接近超聲波頻率的，我們設計的接收電路采用CX20106。圖3 接收超聲波電路C 單片機系統及顯示電路 單片機STC89C52RC是本測距系統的核心，通過使用12MHz晶體振蕩器來獲得一個穩定的時鐘頻率和減少錯誤。單片機P1.0端口輸出40 kHz的方波由超聲波換能器的要求。外部的中斷0是用來監測的返回信號。簡單實用的四位共陽LED應用為顯示電路。這段代碼是由74LS245編譯，位碼是由晶體管9012驅動。如圖4所示。圖4 單片機系統及顯示電路D 溫度補償電路在超聲波測距系統，諸多因素可以影響速度，如環境干擾，基準脈沖

6、的頻率等但是環境溫度是主要因素。根據公式（2），我們可以看到溫度從0到40不等，超聲波的速度范圍從331.4m/s 到354.85m/s。以室溫20為基礎，速度為343.32m/s，變化率是6.83%。因此溫度是不可忽視的因素。在夏季，溫度經常超過40。所以在超聲測距系統中，它是必要的為了減少誤差的溫度補償?，F在大多數的溫度監控系統采用溫度傳感器。首先，我們將溫度信號轉換為電信號，然后放大電信號，然后將模擬信號通過A/D轉換器轉換為數字信號。這種電路是非常復雜的，容易受到元件參數的影響。由于這些原因，本文采用DS18B20溫度傳感器和單片機這種高精度的溫度測量系統。它可以提高測量的精度有程度上

7、。DS18B20的端口DQ可以直接接于單片機的端口p3.7。該電路圖5所示 圖5 溫度補償電路DS18B20是美國最新的數字溫度傳感器。它不同于傳統的熱敏電阻溫度傳感器。我們可以直接讀取測量溫度值。根據實際要求，我們可以實現9或10位A/D轉換，通過簡單的編程。作為一個結果，DS18B20可以使系統具有結構簡單、可靠性高等優點。測量溫度后，我們正確的計算超聲波波速度為以下公式： V (T) = (331.05+0.607T) (m/s) (2)在上面的公式中，T是環境的攝氏溫度（）4 編程系統超聲波測距系統的設計主要包括主程序，發送子程序，接收子程序，溫度補償子程序和顯示子程序。一方面，匯編語

8、言是有效性和方便性。另一方面，測距程序不僅需要復雜的計算，也需要高度精確的結果。所以我們選擇匯編語言設計該系統。A 主程序主程序首先初始化系統環境，為16位定時器模式設置定時器T0，第二設置總中斷允許位EA，然后初始化顯示端口P0和P2。在利用DS18B20測量溫度值時，該溫度補償子程序修改聲音的速度。在這個時候，它就開始調用發送子程序。為了避免發射機到接收機的直接傳輸，它需要一個約為0.1ms的延時（這是可以測量最小距離的原因），然后使外部中斷0接收返回信號。由于使用12MHz晶體振蕩器，定時器的增加1，間隔1us，當主程序檢測到的標志是成功的，它開始根據定時器T0計算出距離，結果將被送到L

9、ED顯示，然后重復這個處理。主程序流程圖如圖6所示。 圖6 主程序流程圖B 發送和接收子程序發送子程序發送約2個超聲脈沖在P1.0端口（約40kHz方波），脈沖寬度約為12us。同時，該定時器T0開始計時。該系統利用了外部中斷0檢測回波。一旦收到回聲（銷INT0出現低水平），立即進入中斷程序，然后停止定時器T0和設置成功的標志。如果回聲尚未檢測當定時器溢出，定時器T0中斷將關閉外部中斷0。同時，它清除成功的標志。這意味著此范圍的處理是不成功的。C 溫度補償子程序和顯示子程序根據實時溫度檢測，它代入公式（2）計算出聲音的速度，顯示程序顯示通過查表顯示距離。5 數據處理不僅處理電路信號會產生一個固

10、定的延遲T，而且處理單片機采集信號也會產生固定延遲T，以上過程必然導一些測量誤差，但該系統修改延遲減少測距誤差。假設S1和S2是兩個固定的距離。T1和T2分別是兩個對應的固定的距離（包括T因子）。所以S1和S2實際上對應時間T1-T和T2-T，即S1 = 0.5V（T1-T），S2 = 0.5V（T2-T），它可以計 （3）經過多次測量，我們可以計算系統延遲T。根據公式（1），我們可確定測量距離。這種處理在一定程度上可以減少系統誤差。6 實際測量和分析測量數據如表7所示。表7 實際測量的數據（單位：厘米）實際距離5101520253035顯示距離25252525263135實際距離350355

11、360365370375380顯示距離3513563613663742525實驗數據表明：超聲波測距系統（最小距離超聲波傳感器可以檢測）的盲點為25。最大的距離372cm。在設計程序，以避免從超聲波的直接傳輸發射機到接收機，該程序有一個延遲1.4ms，所以超聲波測距系統具有至少包括距離。由于超聲波的傳播造成一定的衰減和發射功率是有限的，它很難檢測到長期的回聲。于是就有了最大測量距離。在另一方面，溫度補償是可以提高精度的測量。7 結論在本文中，利用超聲波的反射特征。我們做了的這種基于STC89C52RC測距系統。它的有效范圍從25到372cm的非接觸測量。一旦環境溫度的變化，它提高了溫度補償電路

12、的系統測量精度。修改后的系統延遲，它可以降低系統并且對系統精度有明顯改善。結果驗證了包括硬件和軟件的系統的合理性，這個測距系統是可靠的，穩定的。它是完全能夠滿足一些高精度的場合，如水平測量，機器人定位等。致謝首先，我要感謝IEEE提供這個模板，其次，我要感謝我的導師郭先生，最后但并非最不重要的，我們衷心感謝事先提供技術支持的所有同事。參考文獻1 WANG AI ZH. Design and reality of ultrasonic ranging system base on the microcontrollerJ. Journal of Xinzhou Teachers Universi

13、ty, 2010,26(2): 44-46.2 KANG Y P, LIU ZH Y, GUO X, et al. Design of high-precision ultrasonic wave ranging systemJ. Experimental Technology and Management, 2010, 27(3): 61-64.3 WANG ZH J, SU X Y, HAN Y P. Ultrasonic distance measurement system with high precision based on AT89C51 microprocessorJ. Sensor Technology & Applocation, 2010(1): 21-24. 4 HAN L R. A survey of methods for improving ultrasonic ran