超聲波測距文檔

格桑@梅朵 2011-07-31

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簡易測距裝置

摘要：設(shè)計中利用單片機C8051F020控制超聲波模塊測距，由MCU控制時間計數(shù)，計算超聲波從發(fā)射至接收的往返時間，從而算出實際距離。整個系統(tǒng)由超聲波收發(fā)單元、溫度測量單元、顯示單元和控制單元4個單元組成。軟件部分主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序等部分組成。設(shè)計給出了系統(tǒng)構(gòu)成、電路設(shè)計、程序編程，系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測距的準(zhǔn)確率高。

關(guān)鍵詞：超聲波單片機準(zhǔn)確度高

Abstract: the design of C8051F020 SCM control using ultrasonic ranging from MCU control time, count, the calculation to receive from the launch ultrasonic round-trip time, and get the actual distance. The whole system consists of ultrasonic transceiver unit, temperature measurement unit, display unit and control unit 4 unit. The main part of the main program software, ultrasonic happen subroutines, ultrasonic receiving interruption program and display subroutines components. Design gives the system structure, circuit design, programming, the system has the easy control, reliable working, ranging accuracy is high.

Keywords: ultrasonic single-chip microcomputer high accuracy

2.1 Parallax 28015系列超聲波傳感器 4

5、系統(tǒng)測試……………………………………………………7

1、方案論證

1.1總體方案

本文主要采用單片機控制技術(shù)，實現(xiàn)精確的超聲波測距方案，整個系統(tǒng)由超聲波收發(fā)單元、溫度測量單元、顯示單元和控制單元4個單元組成。其中，超聲波收發(fā)單元主要實現(xiàn)超聲波的發(fā)送和接收；溫度測量單元主要測量外界溫度，由于外界的溫度對超聲波的速度有影響，實現(xiàn)溫度補償，提高準(zhǔn)確度；顯示單元實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的顯示；單片機為控制單元，完成指令發(fā)送，接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行計算等任務(wù)。

1.2總體方案論證

方案一：超聲波測距方案，超聲波測距儀是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來的特性進(jìn)行測量的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即中斷停止計時。通過不斷檢測產(chǎn)生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射超聲波和接收到回波的時間差T，然后求出距離L。在計算精度和總體有效性、超聲波距離檢測方面占優(yōu)越,尤其相比與其他低成本的遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)。不適用于測量距離超過3米。

方案二：紅外測距方案，用調(diào)制的紅外光進(jìn)行精密測距的儀器，測程一般為1-5公里。利用的是紅外線傳播時的不擴散原理：因為紅外線在穿越其它物質(zhì)時折射率很小，所以長距離的測距儀都會考慮紅外線，而紅外線的傳播是需要時間的，當(dāng)紅外線從測距儀發(fā)出碰到反射物被反射回來被測距儀接受到再根據(jù)紅外線從發(fā)出到被接受到的時間及紅外線的傳播速度就可以算出距離。紅外測距的優(yōu)點是便宜，易制，安全，缺點是精度低，距離近，方向性差。

綜上所述，設(shè)計選用的是方案一，超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、技術(shù)難度小、信息處理簡單可靠、易于小型化和集成化，最重要的是精度更高一些。

2、硬件電路設(shè)計

設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)是由parallax 28015系列傳感器和單片機C8051F020構(gòu)成，由LCD-12864顯示。

2.1 Parallax 28015系列超聲波傳感器

此超聲波傳感器模塊是集發(fā)送與接收一體的一種傳感器。傳感器有三個引腳，一個為VDD,一個GND,一個控制端SIG，當(dāng)給控制端一個2us-5us的正脈沖，等待750us，再給SIG端一個高電平就開始計時，超聲波傳感器模塊就產(chǎn)生發(fā)射頻率為40kHz的超聲波，當(dāng)超聲波接收回波時，會把SIG端拉低，再停止計數(shù)，如果時間大于115us且小于18.5ms，就為超聲波測距工作正確。否則超聲波測距出錯，就不計算，重新開始發(fā)射，再判斷。此為超聲波傳感器模塊測距過程。

2.2 單片機C8051F020

本系統(tǒng)采用C8051F020來實現(xiàn)對parallax 28015系列超聲波傳感器模塊的控制。單片機控制SIG端來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測，當(dāng)SIG端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。然而超聲波的傳輸速度主要受溫度影響，因此我們利用單片機C8051F020進(jìn)行溫度補償，它內(nèi)部本身就有一個軟件編程的溫度傳感器，因此使電路簡潔。

2.3液晶顯示部分　

3、理論分析

3.1超聲波測距的原理

超聲波測距的原理一般采用渡越時間法。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(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，即

其中D為傳感器與被測障礙物之間的距離，c為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率。在測距精度不是很高的情況下，一般認(rèn)為c為常數(shù)340m/s。

超聲波的傳播速度主要受空氣密度所的影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。溫度與超聲波的速度之間的近似公式為：

℃

4、軟件設(shè)計

5、系統(tǒng)調(diào)試
超聲波測距儀的制作和調(diào)試,中心頻率為40kHz,硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據(jù)實際情況可以修改成超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送到脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測量的范圍為20mm-3000mm，測距儀最大誤差不超過5mm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實驗分析，不斷有話系統(tǒng)使其達(dá)到實際使用的測量要求。

5.1實驗數(shù)據(jù)處理

　　由于受環(huán)境溫度、濕度的影響，超聲傳感器的測量值與實際值總有一些偏差，表1列出了本超聲測距系統(tǒng)測量值與對應(yīng)的實際值：

表1超聲測距系統(tǒng)測量值與實際值單位：mm

實際距離（mm）	實測距離（mm）
20	20.8
30	30.1
40	40.5
50	53.2
60	62.5
70	70.9
80	80.7
90	89.3
100	102.5
150	151.3
200	200.2

5.2誤差分析

測距誤差主要來源于以下幾個方面：(1)超聲波發(fā)射與接收探頭與被測點存在一定的角度，這個角度直接影響到測量距離的精確值;(2)超聲波回波聲強與待測距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實際測量時，不一定是第一個回波的過零點觸發(fā);(3)由于工具簡陋，實際測量距離也有誤差。影響測量誤差的因素很多，還包括現(xiàn)場環(huán)境干擾、時基脈沖頻率等等。