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免费超声波测距仪的设计(一)信息工程毕业

2013-05-22 01:29

摘    要
 本文提出了一种适用于可移动智能机器人定位、测障及简单形体识别的实时、高精度超声测距处理方法。介绍了以单片机实现该方法的超声测距系统，系统由AT89C2051单片机、超声波发射电路、超声波接收放大电路、环境温度采集电路及显示电路组成。
 利用微处理机控制单元(MCU microprocessor control unit)控制的超声测距仪的原理：由MCU控制时间计数，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。并且在数据处理中采用了温度补偿和修正量的调整。此系统具有易控制、工作可靠、测距准确度高和流程清晰等优点。
关键词：超声波；测距；换能器；单片机；温度补偿

目    录
1 引言 1
2 超声波测距原理 1
2.1 超声波 1
2.2 超声波传感器 2
2.3 测距原理 2
2.4 温度补偿 3
3 AT89C2051的功能特点 4
3.1 主要性能参数 4
3.2 功能特性概述 4
3.2.1 空闲模式 4
3.2.2 掉电模式 5
4 系统硬件电路设计 5
4.1 单片机与各部分电路的接口 5
4.2 系统显示部分 5
4.3 超声波发射及驱动电路 6
4.4 超声波接收及过零检测电路 6
4.5 系统的温度补偿 7
4.5.1温度传感器DS18B20简介 7
4.5.2 DS18B20的内部结构 7
4.5.3 DS18B20温度传感器的存储器 7
4.5.4 DS18B20使用中注意事项 8
5 系统软件设计 8
5.1 系统初始化及主程序模块 9
5.2 脉冲信号发射模块 9
5.3 回波接收模块 9
5.4 距离计算模块 10
6 设计中遇到的问题及其解决方案 10
6.1 发射超声波的探头直接对接收超声波的探头的影响 10 （科教范文网 lw.nSeAc.com编辑发布）
6.2 超声波的传播速度随着温度的变化而变化 11
6.3 其它影响 11
结束语 11
参考文献 12
附录（子程序） 13
致谢 16

1 引言
 利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20kHz以上的机械波)，借助空气媒质传播，由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。
 超声波是由机械振动产生的，可在不同介质中以不同的速度传播。而且超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测。并且超声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点，超声波传感器可广泛应用于非接触式检测方法，因而人类采用仿真技能利用超声波测距[ 1 ]。
 迄今为止，国内外许多学者均着眼于超声应用学测距的研究。与其它方法相比，它不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境中(如含粉尘时)具有一定的适应能力；在近距范围内超声测距有其不受光线影响、结构简单、成本低等特点。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。
 目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高。而且没有显示，操作使用很不方便。本文介绍一种以AT89C2051或GSM97C2051单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法[ 7 ]。实际使用证明该测距仪工作稳定，性能良好。
2 超声波测距原理
2.1 超声波
 与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播．我们知道，电磁波的传播速度为，而超声波在空气中的传播速度为340m/s左右，其速度相对电磁波是非常慢的。超声波在相同的传播媒体里(大气条件)传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波是类似的：

…………………………………（1）
……………………………………………（2）
式中，为振幅，为常数，为圆频率，t为时间，为传播距离，为波数，为波长，为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为：
 ………………………………………………………（3）
式中，为介质常数，为振动频率。在空气里，,当振动的声波频率=40kHz(超声波)代入式(3)可得，即1/a=31m；若=30 kHz，则1/a=56m。它的物理意义是：声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗。在(1/a)长度上，平面声波的振幅衰减为原来的e分之一，由此可以看出，频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。考虑实际工程测量要求，在设计超声波测距仪时，我们通常选用频率=40kHz的超声波[ 2 ]，波长为0.85cm。
2.2 超声波传感器
 人们为研究和应用超声波，已设计并制成了许多类型的超声波发生器：可归类为机械方式和电气方式。实质上，超声波发生器即是超声波换能器[ 3 ]：它将其它形式的能量转换成超声波的能量(由发射换能器来完成)和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量(由接收换能器来完成)。一般是用电能和超声能量相互转换。电气方式类型包括：压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械式方式有气流旋笛、液哨和加尔统笛等。各种类型产生的超声波的功率、频率和声波特性都不相同。目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体等。
 这里选用的是压电型超声波传感器T40-12(发射管)和R40-12(接收管)。
 压电型超声波传感器的工作原理：它是借助压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应[ 8 ]。其结构原理如图1(a)所示。

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图1 超声波传感器结构原理框图说明
 超声波传感器有两块压电晶片和一块共振板。当它的两电极加脉冲信号(触发脉冲，脉冲信号越尖越好，电压越高，功率越大，距离越远)，若其频率等于晶片的固有频率时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。图1(b)为超声波传感器等效电路。
2.3 测距原理
 超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等[ 12 ]。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响。本仪器采用超声波渡越时间检测法。其原理为：检测从超声波发