超声波测距
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超声波测距范文第1篇
Abstract： By the advantages of high directivity， slow energy consumption and long propagation distance in the medium， the ultrasonic is widely used in the distance measurement. Compared with other detection methods， as a contactless detection method， the ultrasonic is not affected and controlled by the light and the color of the measured object in the detection process. This paper introduces the principle and method of the velocity and distance measurement by the ultrasonic. Taking STC89C52RC as the primary controller， the ultrasonic drive signal is launched by the timer and 12864 LCD display and ISD4004 voice broadcast of the measuring results are realized by the dynamic scanning method.
Key words： ultrasonic；distance and velocity measurement；singlechip；LCD；voice broadcast
中图分类号：TH761 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）32-0065-02
0 引言
对于蝙蝠等一些无目视能力的生物来说，借助超声波定位技术进行防御、捕捉猎物等维持自身的生存，也就是生物体发射超声波（超过20kHz的机械波），一般不能被人们所听到，这种超声波是借助空气等媒质进行传播，借助被捕捉的猎物或障碍物反射回来的回波的强弱和时间间隔的长短判断猎物或障碍物位置的方法，根据这一原理，人们提出了超声波测距。
近年来，为了满足导航系统、工业机器人自动测距等方面的需要，自动测距的重要性逐渐显示。超声波技术已成为一门以物理、电子、机械及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。
1 超声波测距测速的原理
超声波测距的方法有多种，主要包括：相位检测法、声波幅值检测法等。其中，相位检测法的检测精度比较高，但是检测范围有限；声波幅值检测法在检测过程中容易受到反射波的影响和制约，检测精度不高。
本设计硬件设计采用超声波往返时间检测法。工作时，单片机驱动超声波发射探头发出一连串的超声波脉冲，超声波发射探头发出最后一个脉冲后，给单片机提供一个短脉冲，单片机开启计数器开始计时，超声波接收探头则在接收到被测物体反射回来的反射波后，也向单片机提供一个短脉冲，单片机关闭计数器。计数器所计时间即超声波往返于探头与被测物体所用的时间。这个时间间隔乘以超声波在此环境温度下的声速，即为超声波在这个时间段内的行程。当超声波发射探头和接收探头之间的距离相对于两探头到被测物体之间的距离很小时，可以认为行程的一半即为所要测的距离值；当超声波发射探头和接收探头之间的距离相对于两探头到被测物体之间的距离不可忽略时，前面的假设则不能成立，所以超声波检测有一个允许的最小测量范围。其次，由于超声波发射探头发出的超声波并不是理想的绝对沿直线传播，其中，一部分超声波没有经过被测物体反射就直接绕射到接收探头上，这部分信号是无用的，进而在一定程度上产生系统误差。在设计过程中，采用延时技术解决这一问题。发射探头发射超声波后，通过增加延时，借助软件关闭所有中断，对此期间接收到的任何信号接收电路不予理睬，之后再等待反射信号的到来。所以，这又使得系统不可避免地产生了测量盲区。经过检验，本系统的盲区为2cm，即被测物体在2cm以内时，系统不能检测。所以本次测量的最小距离为2cm。
由于相邻的两次发射超声波脉冲的时间间隔为一定值，即发射超声波的频率一定。连续发射两次超声波脉冲测得的两个距离值求差除以这个时间间隔即得物体的平均速度。而超声波的发射频率很高，故可认为此平均速度为物体的瞬时速度，实现实时测速的功能。
2 系统硬件、软件设计
单片机是本系统的控制核心部分，采用宏晶科技推出的STC89C52RC芯片。发射电路采用74LS04六反向器，通过它对单片机产生的方波信号进行放大。接收处理电路采用的是CX20106A电路、LM358电路和LM567锁相电路，通过接收电路对接收到的信号进行增益放大和锁相整形，最终再输出稳定准确的脉冲给单片机。显示部分采用了型号为FG12864E的单色128×64点阵液晶显示模块，利用了该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令；采用动态扫描的方式，通过单片机译码，实时显示测量的距离或速度值。语音播报部分采用美国ISD公司推出的ISD4004语音芯片，与液晶显示配合实时的对测量的距离或速度值进行语音播报。
超声波测距测速仪原理框图如图1所示。
完成了系统的硬件设计之后，接下来就是系统软件的设计，它所需要完成的主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。由于C语言通用性强，其程序本身不依赖于机器硬件系统，故本软件采用C语言编写。驱动超声波传感器的40kHz方波信号的产生、时间差的读取、距离速度值的计算以及显示输出的译码和语音播报的实现都由单片机编程完成。其中，对LCD进行编程，必须先了解LCD的接口协议。液晶显示子程序设计的关键之处在于软件中时序的安排要与液晶显示模块内部的时序一致，否则将不会显示成功。语音播报模块是结合液晶显示模块一起使用的，要注意的是该模块中的软件时序的安排要与液晶显示模块内部的时序一致，否则将出现声音提示和液晶显示不一致的现象。
3 误差分析
超声波测距在实际应用也有很多局限性，这都影响了超声波测距的精度。一是超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时产生较大的误差；二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离的测量造成较大的影响。其他还有一些因素，诸如环境温度、风速等也会对测量造成一定的影响，这些因素都限制了超声波测距在一些对测量精度要求较高的场合的应用。
4 结论与展望
本系统有效的测距范围是2cm～3.0m，测距精度±1cm，较好地实现了预定的功能。是微电子产品应用的一例，符合测量工具小型化、集成化、智能化的发展要求，希望本课题的研究能够对传统测量工具的改进和创新有一定的作用。
由于设计经验的不足和所掌握知识的限制，系统的某些功能设计构想还没有完整的表达出来，硬件电路、软件部分都还存在着不足和需要改进的地方。
①需要进一步提高系统硬件电路的整体性能以及抗干扰的能力。②测量范围与发射功率直接相关，由于超声波探头功率有限，本系统只能在小范围内使用；更换成大功率探头，测量范围将扩大。③要满足更高的精度要求，还必须进行适当的改进；在某些特殊场合的应用中，还要考虑超声波的入射角、反射角以及超声波传播介质的密度、表面光滑度等因素。
可以相信，随着超声波传感器机械结构的改进和制作工艺的提高、驱动电源与接收电路设计的完善以及测量方法的更新，超声波测距测速系统的适用范围还会进一步扩大。
参考文献：
[1]张福学.现代实用传感器电路[M].中国计量出版社，1997：37-44.
[2]李丽霞.单片机在超声波测距中的应用[J].电子技术，2002（06）：7-9.
[3]王安敏，张凯.基于AT89C52单片机的超声波测距系统[J].仪表技术与传感器，2006（06）：44-49.
超声波测距范文第2篇
关键词：超声波测距技术；汽车维修；检测
前言
在汽车故障检测的过程中，由于人工检测存在着很大的误差，不利于维修工作的顺利开展，因此，需要借助于一些检测技术，采用智能检测的方法进行检测，这样才能够确保检测的准确性。在如今的汽车维修行业中，超声波测距技术被广泛的应用于汽车故障检测中，超声波测距技术具有检测的准确性高，检测时间短等优势。在汽车检测实际应用的过程中，需要了解超声波测距技术的相关原理及其影响检测准确性的相关因素，才能够利用超声波测距技术做好汽车维修与检测工作，下面针对于超声波测距技术在汽车维修与检测中的应用进行了具体的探讨。
1 超声波测距技术原理
超声波测距技术主要是利用压电晶体的谐振进行工作的。主要就是通过测得的超声波的时间进行距离的测定，并且根据数学公式：速度×时间=距离。而在汽车维修检测中，也是通过运用超声波测距技术的原理进行故障的检测，进而运用速度，时间和距离的关系分析出汽车故障的位置及其原因[1]。
2 超声波测距技术在汽车维修与检测中的应用
2.1 在单元电路设计中的应用
在汽车维修和检测的过程中，会经常用到控制电路、超声波测距电路、显示电路、语音播报电路等，这些都属于单元电路，在本文中提到的超声波测距技术在这些单元电路中都有应用。例如，控制电路在设计上是通过一个系统板来控制电路发射出一连串的信号，再经过放大来接受反射回来的信号，通过信号的发射和反射，可以计算出相应的距离，然后再通过LCD显示模块将其显示出来，并进行语音模块将信息播报出来[2]。超声波测距电路与控制电路有些相似，开始也是要通过特点的传感器来发出信号，有所不同的是它要被动的接受信号，并不是通过反射来接受的，而，是通过超声波的发射到接受的时间差实现测量距离的；显示电路主要应用到LCD液晶显示器上，是通过传感器超声波发出到接受的过程来测定车辆与障碍物的距离，并通过LCD液晶显示器显示出来；语音播报电路与LCD显示器一样都是一种本身具有的表态形式，将超声波测量、检测的结果用语音的形式播报出来。可以通过这些单元电路来检测车辆的形式动态，另外还有很多设备中也应用到超声波测距技术，这些软件对车辆的维修和检测工作都起到了重大作用[3]。
2.2 在软件设计中的应用
超声波的发射和接受程序软件，在汽车维修和检测中经常用到，例如，计时器的开始计时和结束计时，是通过超声波的发射来启动计时程序，主要是采用超声波发射序列来实现定时的功能，再通过外界方波的序列终端计时程序，使计时结束；液晶显示程序软件，是与超声波有着密不可分的联系，尤其是显示器上的颜色指示灯，可以根据超声波的超差距离、实测距离、合格距离等综合判断来显示不同颜色的指示灯，明确的表示出汽车的检测状态。
2.3 超声波在汽车检测中的设计方案比较
超声波应用到汽车检测设计中，主要以三种检测方案进行的。（1）直接检测方式，是对两个不同的位置进行直接检测的方式，检测结果经过视频放大器可以设定多倍显示，但是，这个过程中需要使用变压器，不利于相关的调试工作；（2）一体式反射检测方式，需要做好发射和接受时电路的转换工作，该检测方案如果是在距离较近的情况下，会存在无法检测的盲区，而且，在试用中很容易产生震荡的现象，使汽车的检测工作不准确；分体反射检测方式，是一种串联方式的检测方案，在这种串联谐振频率下，超声波的发射器可以具有较高的灵敏度，而且，接收器还会在反谐振平率下也一样具有较高的灵敏度[4]。因此，使用分体式反射检测方式，不仅便于调试，而且，在检测的过程中就算距离近也不会产生盲区的现象，有效的提高汽车检测的效率，但是，在使用该方式时需要注意的是，由于使用的超声波接收器的电压高低之间大概有100倍的差距，因此，必须要采用高速型的运算放大器才能让这种检测方式发挥出更大的检测效果。
3 影响超声波测距技术的因素
3.1 温度
在应用超声波测距技术的过程中，需要充分的考虑温度对其的影响，如果汽车维修人员在采用该技术进行检测的过程中，忽略了温度，将会严重的影响到检测结果的准确性。主要是由于温度的变化会影响到超声波的传播速度，并且温度越高，超声波的传播速度会越快，进而影响到计算结果的准确性[5]。因此，在采用超声波测距进行检测的过程中，需要根据大气的温度，确定超声波的传播速度，再进行计算，这样才能够确保检测结果的准确性。
3.2 接收脉冲的变化
接收脉冲的变化也对超声波测距技术检测的准确性具有影响。由于超声波具有衰减的特征，而在实际的检测中，在接收脉冲的过程中，存在着一定的延时性，这样在具体的对超声波进行计算的时候，就会出现一定的误差，影响到计算结果的准确性。因此，在汽车维修检测的过程中，需要充分的考虑到接收脉冲的变化。
3.3 信号传递中的漫反射
由于在超声波传播的过程中，会受到物体的影响导致漫反射问题的出现，进而影响到检测的结果。因此，要想在实际的测量中避免这类问题的出现影响到检测的准确性，需要根据实际的检测地点，选好检测的角度，尽量的减少信号传递过程中的漫反射，有助于检测结果的准确，为汽车维修工作提供有效的数据依据[6]。
3.4 直达波的影响
在利用超声波测距技术进行检测的过程中，还会受到直达波的影响，由于一部分脉冲会被测物体传播并反射到接收头，而另一部分脉冲会直接传播到附近的接收头，进而导致测量误差的出现，如果在进行结果计算的过程中，采用该种结果进行计算，会严重的影响到检测结果的准确性，不利于检测工作的顺利开展。
4 结束语
本文主要针对于超声波测距技术在汽车维修与检测中的应用进行了具体的分析和研究，通过本文的探讨，我们了解到，在汽车维修行业应用超声波测距技术的时候，需要全面的了解其原理及其影响超声波测距技术的各种因素，进而根据汽车维修和检测的实际特点，在检测的过程中对于各种影响因素进行规避，能够有效的减少测量误差的出现，提高检测的准确性，使超声波测距技术更好的为汽车维修工作服务，促进汽车维修工作的顺利进行。
参考文献
[1]仇成群，胡天云.基于超声波的汽车防撞报警系统的设计[J].制造业自动化，2009（04）.
[2]魏泉.超声波测距技术在轨道吊防撞功能中的应用[J].港口科技，2009（07）.
[3]王祖麟，谢毓.超声波测距在汽车停车泊位中的应用[J].轻型汽车技术，2009（Z3）.
[4]廖通.汽车维修故障诊断的实用方法[J].科技创新导报，2009（24）.
超声波测距范文第3篇
关键词：MSP430 低功耗 测距
中图分类号：TP933 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）04-0000-00
1 引言
本文提出一种基于MSP430芯片的超声测距系统方案，在硬件上设计了高效率的供电电路，并选择低功耗器件组建系统，在软件上进行低功耗设计，使系统在不超过21mW的功耗下完成8米以上的距离测量，同时系统具有LCD显示、红外通讯、HART通讯、4～20mA输出等功能，可以直接应用在实际产品中。
2 总体方案介绍
该系统采用MSP430F5659芯片作为主控模块，对设备进行驱动。LCD显示部分采用了ST7565R控制器的FSTN液晶屏，该液晶屏的典型工作电流为0.15mA。参数输入采用红外遥控的方式，红外接收芯片采用IRM3638L芯片，典型工作电流为0.33mA。模拟量输出采用ADI公司的AD421进行设计，典型工作电流为0.65mA。HART通讯采用AMI Semiconductor公司的A5191HRT型HART调制解调器，典型工作电流为0.33mA。该系统设备总耗电电流为1.46mA，加上单片机正常工作时的功耗，该系统控制部分的功耗不高于9mW。超声波换能器的驱动电路部分采用限流1mA的方式给储能电容充电，驱动电压为12V，该部分的功耗为12mW。
3 系统硬件电路设计
3.1 系统主控芯片的选择
为了降低系统功耗，主控芯片本身必须拥有较低的功耗，同时要集成较多的模块资源以节省器件产生的功耗。TI公司的MSP430系列低功耗16位单片机被广泛应用在低功耗场合，性能稳定。其中MSP430F5659芯片片内集成了64KB SRAM，512KB FLASH，12位ADC模块，可以满足系统方案对资源的要求，并留有一定的升级空间。
3.2按键和LCD显示电路设计
LCD采用TOPWAY公司的LM6029ACW显示屏，驱动芯片为ST7565R，典型工作电流为0.15mA，LCD设置数据传输为并口传输，优点在于传输速度快，减少拖屏现象。
该系统采用独立式按键设计，通过四个拥有中断功能的IO口连接四个按键，完成了确定，取消，左移，右移的按键功能，实际应用中这种按键方式可以降低操作难度，能够让客户尽快熟悉产品的操作方法。
3.3 4～20mA输出和HART通信电路
该部分电路主要由两个芯片组成，一个为4～20mA输出控制芯片AD421，另一个为HART信号调制解调芯片A5191HRT，这两个芯片配合组成的应用电路可以将测得的物位信号转换为标准的工业4～20mA电流输出信号，并在电流信号上叠加HART通信信号。
3.4 其他电路设计
3.4.1 温度检测电路
在影响超声波测量的各种因素中，温度的影响最大。因此在超声测距系统的设计中，必须进行温度补偿。本设计采用的MSP430单片机片内集成了温度传感器，在精度要求不高或温度变化不频繁的场合可以直接采用单片机内部温度传感器对温度进行补偿。同时为了解决芯片自身发热以及系统温度和环境温度不同的影响，系统还预留了外置温度传感器的接口，可以和DS18B20温度传感器进行连接从而对环境温度进行检测。
3.4.2 红外通信电路
采用二线制供电的超声测距系统在进行产品设计时一般为一体式仪表，这种仪表防护等级高，对仪表进行操作时需要打开仪表的防护罩，为了减少操作时的麻烦，有必要设计红外通信电路通过红外遥控对系统进行操作和参数设计。本设计采用Everlight公司的IRM3638L芯片作为红外接收芯片，其典型工作电流为0.33mA，可以满足系统低功耗的要求。
3.4.3 参数存储电路
本系统采用ATMEL公司生产的串行EEPROM芯片AT24C16作为系统参数和部分数据的存储芯片。AT24C16采用8引脚封装，并且与AT24C64、AT24C512等大容量EEPROM芯片引脚兼容，在需要更大存储空间时可以方便的进行替换。
3.5 超声波驱动电路
本系统采用单片机PWM输出的方式产生41KHz的方波信号作为驱动电路的信号源，由于驱动换能器的脉冲信号峰峰值一般需要达到几百伏以上，因此采用脉冲变压器升压处理，为了使脉冲变压器得到足够的电流，需要在变压器的初级并联3300uF的储能电容。为了满足低功耗的要求，储能电容的充电电路采用恒流源的方式提供1mA的充电电流，经过实验证明，可以满足500mA的脉冲重复频率对充电时间和能量的要求。
4 实验数据及测试结果
测试内容：采用本系统的硬件电路设计完成两套样机，并对两套样机在实验室进行了距离测量验证。样机进行温度补偿并进行误差校正后得到了以下测试结果，如表1所示。
测试发现，两台样机的一致性较高，测量误差不超过量程的1%。盲区可以通过程序控制在0.3m以内，实际测量在8m时有效回波仍然可以达到500mV以上。
超声波测距范文第4篇
关键词：超声波，测距系统，方案
Abstract: with the rapid development of science and technology, in the measurement field, the higher of the ultrasonic waves are used, this paper mainly studies a is composed of TDC-GP2 chip and ATM MCU core device precision ultrasonic ranging system, and they hope to be helpful.
Keywords: ultrasonic ranging system, scheme,
中图分类号：TB51 文献标识码：A文章编号：
一、引言
超声波由于指向性强，能量消耗缓慢，传输距离较远，在距离测量如测距仪和物位测量仪等领域中应用十分广泛。目前，常用于实现超声波测量功能的实现方案有离散器件实现、集成电路实现和专用超声波测量芯片实现等三种。第一种方案成本低但器件参数较分散，测量准确度和距离受到限制; 第二种方案，借助于集成电路实现，如常用的采用音频芯片CX20106A实现，由于受到芯片敏感频率的限制，测量的精度和距离受到限制; 第三种方案，采用专用的超声波测量芯片实现，测量精度高，相对成本高一些。本文提出一种基于德国 ACAM公司高精度时间数字转换芯片TDC-GP21的实现方案。
二、超声波测距系统的构成
超声波测距系统构成如图1所示。控制芯片选用ATMEGA8A，它是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位单片机，自带SPI接口，可以达到接近1MIPS/M的性能，运行速度比普通CISC单片机高出10倍。
图 1 超声波测距系统构成图
超声波测量部分由TDC-GP21、超声波探头、发射控制电路、温度传感器、超声波信号处理电路等组成。
温度测量选用DALLAS公司的DS18B20数字式温度传感器，它通过输出9位(二进制)数字来直接表示所测量的温度值，温度值是通过DS18B20的数据总线直接输入CPU，无需A/D转换，而且读写指令、温度转换指令都是通过数据总线传入DS18B20，无需外部电源。
在测距时超声波发射器有规律发射超声波，遇到被检测对象后反射回来，通过超声波接收器接收到反射波信号，并将其转变为电信号，测出从发射超声波至接收到反射波的时间差( 时间间隔 t) 。t 与超声波传播速度 c 相乘可求出被测距离s，即:
s =1/2ct(1)
由于超声波的声速和温度有关，在测距精度要求高的场合需要通过温度补偿的方法加以校正。不同温度下超声波在空气中的传播速度随温度变化关系为:
c = 331.4 + 0.61T(2)
式中: T 为实际温度。
2.1、时间数字转换芯片控制与配置电路的设计
TDC-GP21内部主要由脉冲发生器、数据处理单元ALU、时间数字转换器单元TDC、温度测量单元、时钟控制单元、配置寄存器以及与单片机相接的SPI接口组成。芯片工作方式和各功能部分协调需要通过外部控制芯片ATMEGA8用SPI接口实现。TDC-GP21功能控制与配置电路如图2所示。
图 2 计时芯片配置电路图
2.2、基于TDC-GP21的时间测量模块设计
在实际的测量过程中，超声波只有发射开始时间和返回信号接收时间两个时间节点，因而可以采用单一通道的时间间隔测量方法。测量过程中保持STOP2通道导通，STOP1通道截止。
在TDC-GP21测量芯片中，提供了两种测量范围可供选择，分别是测量范围1和测量范围2。结合实际情况，利用超声波测量距离要考虑声波的传输速度，发射、接收时间间隔较长，因而就限定了只能选择测量范围2。对应测量范围2的时序图如图3所示。
图3 测量范围2时序图
TDC-GP21有两种时钟，包括作为内部定时器的32 kHz时钟和外部高速时钟，供不同工作模式选择。在测量范围2中，作为前置配器的外部高速时钟一般采用4MHz陶瓷晶振。借助于TDC-GP21提供的自校正原始数据( Cal1和 Cal2) 对时钟进行校正有利于减小因外部时钟抖动和温漂引起的TDC-GP21内部计数及延迟通道误差，有利于实现高精度的测距。
2.3、超声波测量系统的软件设计
ATMEGA8A 单片机通过SPI接口控制TDC-GP21，对TDC-GP21芯片功能配置进行选择。配置完成后，TDC-GP21芯片产生频率为1MHz的超声波，1MHz超声波送到超声波换能器驱动探头。接收探头收到的回波经过开关电路，进入超声波调理电路进行信号处理，该测量回波返回到TDC-GP21芯片，TDC-GP21芯片判断接收到回波后结束测量，同时通过中断通知ATMEA8A单片机，AT-MEGA8A单片机读取测时时间，结合测量的当前温度计算距离并最终显示在LCM141液晶上。
由上面的系统工作过程说明可知，系统软件设计的核心工作是对TDC-GP21芯片进行控制和功能配置。软件编程的操作主要有两个步骤，分别是写寄存器的配置和初始化，以确定 TDC-GP21 的工作模式和寄存器的读取工作。首先对TDC-GP21进行寄存器配置，设置测量范围和通道2的采样次数，定义ALU的计算方法; 然后初始化TDC-GP21、选通START 和STOP2，TDC-GP21进入测量状态，等待START和STOP2信号; 接收指令后进行测量，测量完成后单片机读取TDC-GP21测量数据。超声波测距系统程序流程图如图4所示。
图4 超声波测距系统程序流程图
三、测量误差分析
时间间隔测量模块在测量时间间隔小于4ms时，时间测量误差在90ps以下。由于时间间隔测量模块采用延时通道测量，延时时间受温度影响，这样工作时间过长或温差较大会引起测量误差。在实际应用中可通过控制TDC的工作电压来稳定延时时间; 在实际测量中，晶振的稳定性也会影响到测量的准确性，一般采用高质量的晶振和内部时钟校正法改善测量的精确性。测量信号在传输和反射过程中的衰减也是引起测量误差的原因，收到信号过小，需要进行信号放大，一方面其他的弱小信号就容易叠加到初始测量信号上；另一方面，信号放大后获取信号上升沿的陡度不够，也会引起测量误差。为了保证测量的准确性，可以在测量过程中多次测量，抛弃明显的粗大误差数据，对剩余数据取平均值的方法。
四、结束语
本文介绍了基于 TDC-GP21 的超声波测距仪的设计，充分利用 TDC-GP21 本身时标脉冲和触发测量的特点，借助于高精度时间间隔测量功能，实现了距离的精确测量。该设计提高了超声波测距的精度，降低了系统的功耗和体积，尤其适用于低功耗和高测量精度的场合。实验结果表明，采用 TDC-GP21 专用时间测量芯片研制的超声波测距仪控制和使用非常方便，借助于单片机的通信功能可实现对传感器的远程监控。
参考文献
[1] 王安敏,张凯.基于AT89C52单片机的超声波测距系统[J].仪表技术与传感器.2006(06)
[2] 张攀峰,王玉萍,张健,张开生.带有温度补偿的超声波测距仪的设计[J].计算机测量与控制.2012(06)
超声波测距范文第5篇
关键词:防撞系统;超声波;测距;单片机
中图分类号:TP29 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)02-205-02
Ultrasonic Ranging Back-draft Anti-collision Alarm System Based on AT89C52
ZHANG Heng,LIU Yajie
(Wuhan University of Engineering,Wuhan,430073,China)
Abstract:Using single-chip AT89C52 as the master combined with the principle of ultrasonic distance measurement to realize the back-draft anti-collision alarm function.The integrated chips of CX20106A and DS18B20 are separately used in the detection receiving circuit and the temperature compensation circuit,the mutual disturbance between circuit is reduced.The maximum distance measurement error is less than 1 cm,and the range of the system is 10~300 cm.This system has simple structure,small size,easy-to-use features and so on.
Keywords:CAS;ultrasonic;distance measurement;single-chip microcomputer
0 引 言
随着国民经济的高速发展,我国汽车的拥有量在大幅增加,造成道路拥堵,交通事故频发,给人们的生命和财产安全带来了巨大的损失。安全驾驶成为大家关注的焦点,其中汽车防撞系统(Collision Avoidance System,CAS)的设计和需求显得非常重要和迫切。针对这种情况,设计一种响应快、可靠性高且较为经济的汽车防撞报警系统势在必行。
超声波作为一种频率超过20 kHz的机械波,其指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播距离远,因此超声波测距法是最常见的一种距离测量方法。利用超声波检测距离,设计比较方便,计算处理也较简单,而且精度也较高[1]。本设计采用AT89C52单片机作为主控器,结合超声波测距原理,设计了汽车倒车防撞报警系统。该系统采用软、硬件结合的方法,具有模块化和多用化的特点。
1 超声波的测距原理
本系统选用的是压电式超声波传感器。超声波测距原理有两种方式:共振式和脉冲反射式。因为共振式的应用要求复杂,在此使用脉冲反射式[2,3]。超声波测距原理如图1所示。
图1 超声波测距原理图
图1中被测距离为H,两探头中心距离的一半用M表示,超声波单程所走过的距离用L表示,由图中关系可得:
H=Lcos θ
(1)
θ=arctan(M/H)
(2)
将式(2)代入式(1)可得:
H=Lcos[arctan(M/H)]
(3)
在整个传播过程中,超声波所走过的距离为:
2L=vt
(4)
式中:v为超声波的传播速度;t为传播时间,即为超声波从发射到接收的时间。
将式(4)代入式(3)可得:
H=12vtcos[arctan(M/H)]
(5)
当被测距离H远远大于M时,cos[arctan(M/H)]1,в谑鞘(5)变为:
H=12vt
(6)
由此可见,要想测得距离H,只要测得超声波的传播时间t即可[4]。
2 系统的实现
根据设计要求并综合各个方面因素,可以采用AT89C52单片机作为主控制器,用动态扫描实现LCD数字显示,超声波驱动信号用单片机的定时器完成,其具体的系统框图如图2所示[5]。
图2 防撞报警系统设计框图
该系统主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路等部分组成。采用AT89C52来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。其中超声波接收电路使用集成电路CX20106A,可用来完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形等功能。显示器件采用的是LCD12864显示器,并选用D18B20温度传感器进行温度检测,实行温度补偿[6]。主控器AT89C52单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,具有8 KB的系统可编程FLASH存储器。与AT80C51引脚和指令完全兼容。拥有1个8位CPU,1个片内振荡器及时钟电路,3个16位定时/计数器,21个特殊功能寄存器,4个8位并行I/O口,共32条可编程I/O端线,1个可编程全双工串行口,8个中断源[7,8]。
本设计的实物如图3所示。
3 系统的软件设计
系统软件部分包括主程序、中断子程序和其他子程序[9,10]。主程序流程图如图4所示,其中中断子程序的核心代码如下:
void TT() interrupt 2
{
uint temp;
TR0=0;
ET1=0;
flag=1;
temp=TH0*256+TL0;
if((temp>0)&&(temp
{
high_time=TH0;
low_time=TL0;
}
else
{
high_time=0;
low_time=0;
}
}
void beep()
{
unsigned char i;
for (i=0;i
{
delay(4);
BEEP=!BEEP; //BEEP取反
}
BEEP=1; //关闭蜂鸣器
delay(250);//延时
4 结 语
此倒车防撞报警系统,可以应用于汽车倒车等场合,提醒驾驶员在倒车时能有效地避开可能对倒车造成危害的障碍物和行人。本系统针对普遍存在的抗干扰性问题加强了软硬件处理措施。硬件方面例如把超声波接收电路用金属壳屏蔽起来,提高了系统的抗干扰能力;软件方面系统结合使用DS18B20温度传感器实现温度补偿矫正,使系统可以正常工作在任何温度下,误差都不会超过指定范围。并用带字库功能的LCD12864液晶实时显示距离,当满足距离条件时,蜂鸣器蜂鸣工作提示驾驶员,具有较强的实用性,且硬件结构简单,体积小,使用方便。但该系统的测量距离有限,只有在10~300 cm距离内有效,需要进一步的改进和提高。
参考文献
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[9]谢维成,杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京:清华大学出版社,2006.
