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基于AT89C52的超声波测距仪的设计方案

2012-05-18 14:52
汉水狂客
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  测距技术在物位检测、医疗探伤、汽车防撞等民用、工业领域应用广泛,由于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,并且易于定向发射,方向性好,发射强度好控制,且不受电磁干扰影响,因而利用超声波测距是一种有效的非接触式测距方法。但超声波在不同环境温度下传播速度不同,如忽略温度影响,将影响最终测量精度。本文介绍的超声波测距仪采用渡越时间检测法,使用了DS1 8B20温度传感器对现场温度进行检测,并通过软件计算实现波速的温度补偿,消除了温度对测量结果的影响,使测量误差降低。

  1 系统工作原理

  超声波测距原理如图1所示。

 

图1 超声波测距原理

  

  式中c--超声波波速:t--从发射出超声波到接收到回波所用时间。

  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,经过测量得出超声波的波速与温度的关系,如表1所示。

表1 声速与温度的关系表

 

  将测量的速度数据与温度数据进行一阶拟合得出:

  c=331.6+0.6107xT (2)

  式中T--当地温度。

  在测距时,可通过温度传感器自动探测环境温度、确定其时的波速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H,这样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。

  本设计方案中使用渡越时间检测法,测距仪工作原理为:在由单片机发出驱动信号的同时,开启单片机中的计时器,开始计时。发射探头发射出超声波,在由接收探头接收到第一回波的同时停止单片机计时器的计时,由于超声波在空气中的速度已知,根据公式即可求得探头与待测目标之间的距离。而且,可以在较短时间内多次发出超声波测量,完成后计算平均值然后显示。

  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,但其频率越高,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,选用频率f=40kHz的超声波,波长为0.85cm.

  2 系统硬件设计

  本系统采用AT89C52单片机作为主控制器,使用3位数码管作为系统显示屏,超声波发射驱动需要的40 kHz脉冲由单片机P0.0发出,使用定时器进行计时和控制,超声波接收使用CX20106A作为接收主控芯片,使用DS18B20作为温度传感器进行温度校正。超声波测距器的系统原理图如图2所示。

 

图2 系统设计原理图

 

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