超声波距离测量仪硬件设计Word格式文档下载.docx
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激光测距虽然测距精度高，操作简单，但是受环境的影响比较大，且系统检测维护不便，价格相对昂贵，一般多在军事领域应用。
红外测距属于电磁波的一种[2]，超声波是声波测距，实现起来更容易且不受电磁干扰影响。
红外传播速度为3×
108m/s，超声波在空气中的传播速度为340m/s，其速度相对电磁波是非常慢的，因此在同等距离的情况下，超声波的传播时间远大于红外，往返时间更易测量。
超声波在测距方面具有以下突出的优点：
（l）环境介质可为空气、液体或固体等，适用范围广泛；
（2）对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强等恶劣环境中；
（3）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。
由于超声波具有以上特点被广泛应用于测量物体的距离、厚度、液位等领域。
在超声波探伤、自动泊车系统和倒车雷达系统中[3]，超声波测距有其重要的应用。
随着科学技术的发展，超声波测距技术在国防、汽车工业及日常生活中无处不在。
目前超声波测距系统主要是采用微处理器为核心，使用微处理器内部的计时器计时，并结合温度补偿声速等处理手段提高测距精度。
但由于超声波传播时间难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。
由于微处理计时精度有限和硬件设计的束缚，现有超声波测距系统在测量范围为0.2～20m的范围内，测量误差多为mm级，20cm以下基本为系统的测量盲区。
现有超声波测距系统不仅测量范围有限制，且测量精度有限。
超声波测距仪虽然原理简单，但是由于超声波测距受到许多外界因素制约，包括所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度，环境温度等等，如何选择合适的方法提高精度是技术开发的重要瓶颈，国内外的学者在提高超声波测距精度方面做了大量的研究。
面对广阔的市场空间以及日益苛刻的测量要求，如何提高适用范围和测距精度就成为了当前超声波测距设备开发的关键所在。
1.2超声波测距领域的历史和国内外发展现状
一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验，这是人类首次有效产生的高频声波。
在之后的三十年中，超声波仍然是一个鲜为人知的东西，由于当时电子技术发展缓慢，对超声波的研究造成了一定程度的影响。
在第一次世界大战中，对超声波的研究逐渐受到重视。
法国人Langevin使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。
他提出的这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并进行水下通信[4]。
1929年，Sokolov首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建议[5]。
相隔2年，1931年Mulhauser获准一项关于超声检测方法的德国专利，不过他并未做更多的工作。
4年之后，1934年sokolov首次发表了关于在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果，他用了各种方法做了实验，用来检测穿过试件的超声能量，其中之一是用简单的光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹。
德国人Bergmann在他的论著《ULTRASONIC》中，详细的论述了有关超声波的大量早期资料，该论著一直被认为是该领域的经典之作[6]。
美国的Firestone[7]和英国的Sproule[8]首次介绍了脉冲回波探伤仪，使超声波检测技术发展到了更重要的阶段。
在各种系统中，这是最成功的一种，因为它有最广泛的通用性，其检测结果也最容易解释。
这种方法除可用于手工检测外，还可与采用先进技术的自动系统联用，自第一种脉冲回波仪器问世以来，根据相同的原理，有无数种其他仪器得到了发展，并有许多改进和精化。
目前，在超声无损检测中，脉冲回波系统仍是使用最为广泛的一种。
HuaHong，WangYongtian[9]阐述了其所研究的一种调幅连续超声波大范围动态测距系统。
该系统的测距原理是利用超声波传感器发射和接收调幅连续超声波，基于接收信号于发射信号之间的相位差和两传感器之间的正比关系，用相位差法测量传感器之间的动态距离。
文中给出了设计原理、硬件实施和测量结果。
实验结果表明，该系统在15m的测距精度可达到lmm。
中国测试技术研究所的李茂山在《超声波测距原理及实践技术》[10]中阐述了用超声波在空气里传播速度为已知条件，测量超声波行进于待测距离所耗费时间的超声波测距原理。
文中分析了声波的传输特性和影响声速的因素，给出了超声波测距的框图。
作者还进行了超声波测距误差源分析以及超声波测距仪的检验。
浙江师范大学的李鸣华、余水宝利用单片机开发了一种超声波料位测量系统[11]。
作者介绍了超声波料位测量的原理以及超声波料位测量仪的软硬件设计，硬件设计主要分为超声波信号的产生发射电路、信号接收处理电路、AT89C2051单片机控制电路等。
作者还分析了造成料位测量误差的几点原因，并给出了几种方法来减少测量误差。
比如：
在计数电路设计中，采用了“延迟接收，信号分离”的技术和相关计数法减小了计数误差，对于声速的测量误差，使用温度补偿法，在软件设计中采用了查表的方法，由单片机实现自动补偿校正。
文中的一些方法对于设计超声波测量系统来说具有一定的参考价值。
声速的测量在超声波测距中对提高超声波精度有重要的作用，超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因素有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。
中国海洋大学的曹玉华在《超声波测距系统设计及其在机器人模糊避障中的应用》[12]提出了采用温度补偿的方法测量声速，来提高超声波测距精度。
文中温度检测部分采用了美国DALLAS半导体公司生产的可组网单线数字温度传感器DS18B20测量环境温度，用以温度补偿以修正超声波速度，来减小温度变化对距离测量精度的影响。
该超声波测距装置在1.5m的测量范围内，测量误差小于5cm。
山东科技大学的王红梅在《高分辨力超声测距系统的研究》[13]中研究了己有超声波测距系统的优缺点，采用超声波多次发射，以多次测量的平均值作为测量值的方法提高超声波测距精度，并使用了温度补偿声速的方法进一步提高了系统精度。
为了提高仪器的分辨力，还采用了若干方法来减小随机误差。
本文所设计的超声波测距系统在测量范围1cm～10cm，精度可达到0.5%，分辨率优于0.1mm。
1.3论文的主要内容
本次设计的工作包括：
一、讨论和研究本设计的设计方向和功能；
二、主芯片和传感器的选择；
三、电路的设计以及电路板的制作；
四、程序的设计；
五、子程序与子模块的联合调试；
六、总程序的调试；
七、系统的测试与校正。
2超声波测距的基本理论
2.1超声波的定义
波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式传播或传输到其他点上。
声波是一种弹性机械波。
人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz～20kHz，超声波是频率大于20kHz的机械波[14]。
超声波应用有三种基本类型：
透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；
分离式反射型用于测距、液位或料位；
反射型用于材料探伤、测厚等。
在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波[15]。
2.2超声波传感器
超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。
电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。
压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。
有的超声波传感器既作发送，也能作接收。
这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23～25kHz及40～45kHz。
这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。
该种有T/R-40-60，T/R-40-12等。
另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型），它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好[15]。
2.3超声波测距计算
超声波测距原理如图2-1所示。
图2-1超声波测距原理图
基于单片机的超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离,如式2-1所示[16]。
S＝Ct／2（2-1）
式中C——超声波波速。
限制该系统的最大可测距离存在4个因素：
超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。
接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。
为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收的设计方法。
由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关，如式2-2所示[17]。
C=331.6+0.6107*T（2-2）
式中T——当地温度。
经过测量得出超声波的波速与温度的关系，如表2-1所示。
表2-1超声波温度速度表
温度（℃）
-30
-20
-10
10
20
30
声速c（m/s）
313
319
325
333
338
344
349
式2-2是根据测量的速度数据与温度数据进行一阶拟合得出的，拟合过程为：
t=[-30-20-100102030]
c=[313319325333338344349]
m=1
fxy1=polyfit（t,c,m）
得到结果：
fxy=0.6107331.5714
图2-2是使用Matlab软件对温度数据和超声波速度数据进行拟合的数据处理。
图2-2温度与速度数据拟合
图2-3为温度数据与超声波速度数据进行一阶拟合得到的拟合图形
图2-3温度数据与超声波速度数据拟合图形
在测距时由于温度变化，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定计算距离时的波速C。
波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离S，这洋能较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。
3系统硬件设计
3.1系统主要技术指标
本论文是研制一种超声波测距系统。
其主要技术指标为：
量程:
10cm－200cm；
电源:
5VDC；
超声波频率:
4OkHz；
测量误差:
3%-4%；
显示方式:
LED显示。
系统具有温度校正功能。
3.2系统设计框图
在整个超声波测距系统设计中占有很重要的位置的是超声波测距系统的硬件电路设计。
硬件电路设计的合理性将直接影响系统运行的可靠性与稳定性。
其中选择合适的器件和合理的电路布局将对系统有很大的影响，并且硬件系统的性能是整个测距系统可靠性的最根本保证。
因此，在能够保证实现超声波测距所需要功能的基础上，还应该需要重点考虑以下几个原则:
（l）尽量选择一些典型芯片，典型的应用电路。
这样可以保证电路设计模块的正确性，为系统的标准化、模块化打下良好的基础；
（2）尽量减小硬件电路的复杂性，能在片内实现的功能，最好不要再外接电路，多选用集成度高的芯片；
（3）在芯片选择和线路板排布时候尽量考虑系统的可靠性及抗干扰性能。
本系统采用AT89S51单片机作为主控制器，使用LED数码管作为系统显示屏，超声波发射驱动需要的40kHz脉冲由单片机P1.0发出，使用定时器进行控制，超声波接收使用CX20106A作为接收主控芯片，使用DS18B20作为温度校正系统核心。
超声波测距器的系统框图如图3-1所示[17]：
硬件设计从成本和性能两方面进行考虑，力求结构简单，成本合理，功能完善，稳定性好。
整个系统采用模块化进行设计，使得每个模块都是一个独立的单元，方便后续调试工作。
图3-1系统设计框图
3.3主控芯片的选择
方案一：
开始考虑到低功耗的问题，想使用在研讨会发的MSP430系列的低功耗单片机，因为刚接触这系列的单片机不久，对其掌握不深所以放弃了该方案。
方案二：
使用STC系列的单片机，驱动能力强，运行相对稳定很多，抗磁场干扰能力强，与AT系列的相比，性价比更高。
方案三：
使用最普遍的AT89S51，最大的优点就是相对比较便宜，而且很容易购买到，相关的资料非常丰富，使用的过程中有疑问很容易得到在网上或者资料书上得到解决，但是定时器、中断、ROM等较少，抗干扰能力较差[18]。
综合各个方面的考虑最终选用方案三，使用AT89S51单片机作为主控芯片。
芯片如图3-2
图3-2AT89S51引脚图
3.4超声波的发射电路设计
超声波的产生与识别接收是非常重要的，所以发射和接收电路一样重要，任意一部分电路有缺陷就直接影响整个仪器的性能。
所以对于这部份电路中有了很多的设计方案。
在这次设计中采用单片机的P1.0端口直接发送40kHz的信号，这样能够精确的计算出时间，得出精确的测量数据。
而且这种方法比较简单而实用，在设计中可以避免出现不应该的影响与误差，让这次的设计能更加简单操作，而且得到预期的效果。
该系统的超声波发送模块是由超声波发射探头组成的，使用74LS04做为驱动，超声波发射电路如图3-3所示[19]。
图3-3超声波发射电路
74LS04为六组反向器，其系列共有54/7404、54/74H04、54/74S04、54/74LS04四种线路结构形式，其主要电特性的典型值如表3-1：
表3-174LS04各型号的电特性比较表
型号
tPLH
tPHL
P0
5404/7404
12ns
8ns
60mW
54H04/74H04
6ns
6.5ns
140mW
54S04/74S04
3ns
113mW
54LS04/74LS04
9ns
10ns
12mW
图3-4为74LS04逻辑电路图：
图3-474LS04逻辑电路图
其中74LS04的引出端符号：
1A－6输入端1Y－6输出端
压电超声波转换器的功能：
利用压电晶体谐振工作。
内部结构如图3-5所示，它有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器。
如没加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收转换器。
超声波发射转换器与接收转换器其结构稍有不同。
图3-5超声波转换结构图
3.5超声波接收电路设计
在接收电路中使用了红外线接收处理芯片CX20106A,因为它处理的是38kHz的红外信号，而40kHz的超声波信号和它比较接近，并且CX20106A芯片具有很强的抗干扰能力，这个芯片的外围电路很简单而且通过外围电阻调节它的中心处理频率，通过改变外围电路电容的大小也可以改变接收电路灵敏度和抗干扰能力。
经过试验后发现用单片机发40kHz信号与使用CX20106A的电路搭配更加简单合理，使得时间的计算更为精确。
该系统的超声波接收模块是由超声波接收探头和红外线接收处理芯片CX20106A组成。
如图3-6所示[19]。
图3-6超声波接收电路
系统采用集成电路CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。
考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距超声波频率40kHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。
实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力,适当改变外围电路电容的大小，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。
3.6超声波测距显示电路
3.6.1显示模块的选择
在显示模块选择时有两种，一种是用液晶显示屏，一种则是选用数码管。
液晶显示屏具有轻薄短小，低耗电量，无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点，可以显示汉字等各种符号。
但一般需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大。
而数码管具有低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、对外界环境要求低，易于维护的特点，同时精度比较高，称量快，精确可靠，编程容易，操作简单。
缺点是不能实现汉字显示，多数据多行显示。
在本次设计中选择了方案二，选择了4位数码管显示。
用PNP型三极管驱动数码管，并连接到单片机AT89S51的P2口上作位选。
虽然显示上没有液晶显示屏那么完全，但是也能够完整直观地显示出需要的结果。
本次设计由于条件的限制，只要求显示小数点后一位。
3.6.2显示电路
图3-7为超声波测距硬件设计的显示电路。
图3-7超声波测距显示电路
其中数码显示管选用的是4位数码管，其引脚连上1K的电阻后与单片机的P0脚连接，数码管的位选引脚与三极管9012连接。
3.7温度补偿电路设计
超声波的声速与温度有直接的关系，所以在本次设计中采用温度校正的目的就是在于要选取当时现场温度下可用来计算的声速，从而提高超声波对距离测量的测量精度。
在选取温度传感器时选择使用温度芯片DS18B20。
这种芯片是单总线结构的,使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念。
DS18B20支持“一线总线”接口,测量温度范围为-55℃~125℃,在-10℃~85℃范围内,精度为±
0.5℃。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量[20]。
3.7.1DS18B20的特性
（1）适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下由数据线供电。
（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上实现组网多点测温。
（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
（5）温度范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为0.5℃。
（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。
（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多，在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。
（8）测量结果直接输出数字温度信号，以"
一线总线"
串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
（9）负压特性：
电源极性接反使芯片不会因为发热而烧毁，但不能正常工作。
3.7.2DS18B20引脚说明
DS18B20使系统设计更灵活、方便,价格更便宜,体积更小。
并且能用程序选取分辨率，因此可选更小的封装方式,更宽的电压适用范围。
分辨率设定及用户设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后依然保存。
省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM,精度降低为±
2℃,适用于对性能要求不高,成本控制严格的应用,是经济型产品。
衡量其准确度和价格的优势最终确定DS18B20为此项目的温度传感器。
其引脚图如图3-8所示，
图3-8DS18B20集成电路
DS18B20引脚说明如表3-2所示。
表3-2DS18B20的引脚说明
引脚
符号
说明
1
GND
接地
2
DQ
数据输入/输出脚
3
VDD
可选的VDD引脚
3.7.3DS18B20的使用方法
DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。
DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。
该协议定义了几种信号的时序：
初始化时序、读时序、写时序。
所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。
而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收，数据和命令的传输都是低位在先。
3.7.4DS18B20温度
升级会员 