基于超声波传感器测距系统四川大学测控系.docx

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基于超声波传感器测距系统四川大学测控系

超声波测距的原理

超声波测距在使用中不受光线、电磁波、粉尘等因素的影响，且成本低，速度快，检测元件可以不与被测介质接触，可测围广，安装维护方便等诸多优点；所以超声波测距系统被应用到越来越多的领域，如汽车倒车报警装置，移动机器人自动避障功能，液位检测，工业现场测距等等。

1超声波简介

超声波是一种机械波，也是一种纵波；超声波的传播需要介质，比如：

水，空气，固体等.

我们知道，人类耳朵能听到的声波频率为20～20000Hz，由于超声波的下限频率超过了人的听觉上限（20000Hz），故而得名超声波。

也就是说，超声波是频率高于20000赫兹的声波.

超声波用许多特性：

1超声波在传播时，方向性强，能量易于集中.

2超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离.

3超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（可用于医学成像等领域）.

正是由于超声波良好的方向性和能量的集中度，所有超声波才被用于测距领域.

2超声波传感器

超声波传感器有两种形式，分别对应于超声波的发射和接受。

其工作原理分为两大类：

用电气方式和机械方式产生超声波。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等.它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前常用的是压电式超声波发发生器.

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

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.

超声波传感器接收器为逆压电效应，但共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器.

3测距原理

根据公式s=v×t可知，只要知道速度v和声波在空气中行走的时间t，相乘即可得到距离s.

简化声波在空气中速度v与温度的关系，有v=331.5+0.607t．在O℃时v=331.5m/s．常温20℃时v=343.64m／s．因温度所引起的速度影响将在软件里处理（具体处理方法见后）．

测定超声波被障碍物反射接收时刻与超声波发出时刻差值t，此t即为声波在空气中的传播时间．在本文中利用STC89C52单片机的T0计时器计时，通过软件处理得距离s=

.

系统结构框图如图1

图1超声波测距系统的结构款图

DSI8B20温度传感器将实时的测量工作环境温度，并送入单片机中，作为声速v的参数指标。

数码管通过软件计算后，见距离显示出来，达到测距的目的（具体电路见下文）。

二硬件系统设计

硬件系统是整个测距功能实现的基础。

如果把一个系统比作人，那么硬件系统就是人的“肉体”，软件系统是人的“灵魂”。

如图2（见附件1），这是我们使用的超声波测距系统的完整电路图，图3（见附件2），这是该电路图的PCB电路板。

该系统主要包括以下几个模块：

超声波发射电路，超声波接受电路，测温电路，显示电路，其他辅助性电路子模块等。

1发射电路

声波在空气中，频率越高，功率越大，精度越高，但是在空气中衰减的就越快；相反，频率越低，功率越小，空气中衰减的就越慢，但误差大。

综合考虑75kHz、40kHz、25kHz，取40kHz可以较好地解决这个矛盾．试验表明，超声波接收信号时的形状与接收时强度无

。

发射电路的选择有多种方式，以下是几种方案的讨论：

1发射电路1

发射电路由单片机的IO口产生方波脉冲，由电路放大后，驱动超声波换能器产生超声波。

由单片机IO口发出40KHz的方波，最终驱动换能器产生超声波，系统电路图如图4

图4发射电路1

优点：

电路简单方便，便于连线，便于调试。

缺点：

频率不够稳定，功率较小，发射距离近。

2发射电路2

单片机的P1.1口控制器是否工作，晶体管组成反馈式稳频震荡电路，经过Q2的基极做进一步的放大，经过多次循环形成电路震荡，超声波发射探头两端为40KHZ的方波，推动超声探头产生40KHZ的超声波。

电路如图5

图5发射电路2

优点：

电路相对简单

缺点：

三极管放大效果不是很好，频率不是很稳定。

3发射电路3

本系统中，超声波发射电路的作用是让超声波发生传感器向外界发出40kHz的方波脉冲信号，通过给单片机编程，输出该脉冲信号。

由于单片机端口输出功率不够，

端口输出的40khz方波信号要经过放大，整形电路。

输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。

上拉电阻R1和R2一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时问。

电路如图6

优点：

驱动能力较强，电路相对简单

该测距系统中选用发射电路3.

图6超声波测距系统发射电路

图6超声波测距系统发射电路

2接受电路

超声波接收电路的作用是让反射回波能顺利地被超声波接收传感器接收且转换成电信号，并对此信号进行放大、滤波、整形后得到一个负脉冲送到单片机P3.2引脚（即INT0，T0计数器），以产生一个中断。

本系统中的接受电路如图7

图7超声波测距系统接受电路

本系统中采用CXA20106A用于超声波的接收。

CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz比较接近，而且CX20106部设置的滤波器中心频率．f0可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，围为3O～60kHz。

故本次设计用它来做接收电路。

CX20106部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。

工作过程如下：

接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。

当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到STC89C52的INT0引脚上，以触发中断。

3测温电路

测温电路主要是为单片机提供温度参数，根据声速在空气中的传播特性，（见超声波简介）。

为满足课程设计的精度要求，该系统必须配备测量温度的电路，测温电路由DS18B20专用芯片来测定。

电路如图8

图8测温电路

4显示电路

显示电路可采用液晶显示、数码管等显示方式，但为节约成本，同时满足课题任务要求，显示系统采用4个LED数码管来显示测量距离，采用单片机动态扫描方式显示。

LED数码管的驱动电路使用74HC573锁存器和74HC138译码器，显示电路简图如图9

图9显示电路

图10为74HC138引脚图

图1074HC138引脚图

5外围辅助电路

除了上述主要的电路模块外，实现该系统还需要其他辅助性电路的配合，比如外部振荡源电路，开关电路等等，由于这部分模块都比较简单，已经在图2中又所展示，这里就不再赘述。

图11开关电路

图12外部振荡源电路

图11

图12

三软件系统设计

超声波测距仪就是基于STC89C52单片机开发设计的。

它采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成。

上图为主程序的框图。

该系统的主程序处于键控循环工作方式，当按下测量键时，主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量结果用显示子程序在数码管上显示出来。

1软件结构框图

程序实现过程如下：

1调用定时器0初始化子函数，打开定时器0，开启定时器0中断，发射超声波；

（IT0=0，设置外部中断0为低电平触发）

2等待Echo回波引脚变高电平，即接收到回波；

3调用定时器1初始化子函数，启动定时器1，开启外部中断0；

4等待外部引脚电平变低，进入外部中断函数；

5在外部中断函数中，读取定时器1的值，置位成功接收标志；

6进行时间和距离的数据转换；

7将距离动态显示于数码管中。

8返回主程序，进行下一次测量。

系统流程图如图13

2软件清单

该超声波测距系统的软件程序是基于keil软件编写，下面是该软件的简介：

KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。

Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。

Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。

软件清单见附件3

图13程序流程图

四误差分析

由于该系统中的声速，要受到温度的影响，所以该系统对于温度影响比较敏感；除此之外，由于受软件系统和电路响应等迟滞因素，该系统的测量精度还需要通过线性拟合来保证。

下面是两种方法的具体介绍：

1温度补偿

在该超声波测距系统中，我们是通过加温度传感器进行温度补偿，温度补偿，主要是通过采集工作环境的温度参数，根据声速v=331.5+0.607t（t为温度参数）。

可以得到此工作环境下的精确声速数值。

通过温度补偿可以有效的增强系统的测距精度。

但是，由于时间集，任务重，后来温度传感器在实物中有所体现，但是软件系统并未编写相应的程序，该工作模块的功能，可以在以后进行开发。

2线性拟合

通过实验室数据处理，我们得到了关于该超声波测距系统实验数据处理的曲线图，如图14

图14超声波测距系统实验数据曲线图

对于图14的解释：

1图中包括5条曲线，分别是【理论曲线】，【顺序测量曲线】，【反序测量曲线】，【差值曲线】，【平均值曲线】

2其中差值曲线，我计算了差值的平均值和方差

平均值=0.11cm

方差=0.19cm

从这里面可以分析，这个系统的平均误差大约为0.11cm

其测量系统的稳定性大约为0.19，系统比较稳定。

3其中的【顺序测量曲线】，【反序测量曲线】，【平均值曲线】基本重合，所以本系统的测量还是比较稳定的。

4在第3条里面提及的三条基本重合的曲线为实验值曲线，该曲线和理论曲线成相交状态。

根据图14，我们可以进行系统的线性拟合，线性拟合的步骤为：

第一步：

减小实验值曲线的斜率，具体做法是在该曲线的斜率上乘以一个大于0并且小于1的k值,即可达到目的.如图15

图15线性拟合1（改变实际测量曲线的斜率）

图15中的曲线⑥即为处理后的曲线。

第二步:

对实验值曲线进行平移,具体做法是在实验值曲线的截距b上加一个数据m.这样即可达到平移曲线的目的.如图16

图16线性拟合2（调整实际测量曲线的截距）

五总结

通过十多天的奋战，我们小组终于成功完成了超声波测距系统的理论研究和实物制作；在这十多天里，通过小组同学知识上的互补,在实验室中，亲自看着原来在课本上的东西，变成一个实际的物体，而且可以想理论上讲的一样工作。

这是一个难忘的过程！

当然我们的也碰到了需要困难，在程序调试阶段，负责调试的同学，通常在实验室一呆就是一天，过程艰辛。

但是，面对一个犹如新生儿般的测距系统时，所有的一切痛苦和烦恼,都烟消云散！

我们小组是一个优秀的小组！

通过这次课程设计，我们完成了从理论向实际的跳跃，同时还培养了我们在一个小组里工作时的团队协作能力，我们团队的每个人都是优秀，但是无论那一个人都没有能力独立完成这份工作，

最后以一句古语自勉：

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索！

参考文献：

【1】袁易全．近代超声原理及应用[M]．：

大学，1996．

【2】黄劼，徐晓秋.单片机原理及接口技术.:

国防工业,2008.

【3】国雄.测控电路.:

机械工业,2008.1（2010.1重印）.

附件资料：

附件1超声波测距系统电路图

附件2超声波测距系统印刷电路板（PCB板）

附件3超声波测距系统程序清单

附件4实物图展示