高精度超声波测距系统 中文翻译

1、高精度超声波测距系统摘要：超声波传播距离远，并具有良好的反射特性。因此，本文设计了一种基于STC89C52RC单片机的超声波测距系统。该系统的有效测量范围为372厘米。经过反复测试，测量误差小于1厘米。所以此系统被广泛应用于汽车智能防撞、车辆导航等其他系统中。关键词：单片机；超声波；发送；接收；测距；温度补偿一、引言目前，超声波测距的主要方法包括脉冲回波法，相位调制，频率调制和基于FFT的方法。其中，脉冲回波法适应性好，可以进行人工测试，也可以与自动化系统相结合实现自动测量。因而，在国内外得到广泛应用。现今，微波测距和激光测距的理论已经应用到超声波测距系统中，并得到很好的研究。另一方面，越来越

2、多的专家和学者致力于滤除回波中杂波和分析回波的研究中。随着人们对超声波理论的深入理解，提高测量精度和抗干扰能力称为超声波测距最重要的性能指标。本文使用脉冲回波理论来设计整个系统。下文主要分为三部分：第一部分介绍了系统的硬件结构；第二部分介绍了系统的软件编程过程；第三部分介绍了数据处理的方法。由此，使读者全面了解此系统。二、超声波测距系统的原理根据实际项目的要求，选择频率为40KHz的超声波。超声波传感器是一种可以将电能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的电能的器件，也被称为超声波换能器或超声波探头。在一定频率范围内，超声波传感器可以将电信号转换成外部超声波信号，也可以将外部超声波信

3、号转换为的电信号。在本文中，选择T/R40-12压电式超声波传感器，其工作频率为40KHz，外部直径是12cm。当超声波发送器发射超声波信号时，超声波遇到障碍物发生反射，超声波接收器可以接收到该回波信号。从超声波发射开始计时，到接收到回波信号后停止计时，就可以计算出从超声波发送器到被测物体之间的距离。从超声波发送器到被测物体之间的距离计算距公式是：D = S/2 = V ×T /2 (1) D是测距装置与被测物体之间的距离。S是超声波传播的距离。V是超声波在空气中的传播速度。T是超声波传播的时间。超声波也是一种声波，因而其传播速度易受温度的影响。因此，本文通过用温度补偿的方法来提高超

4、声波测距系统的精度。三、系统的硬件超声波测距系统的方框图如图1所示。系统的硬件主要包括单片机系统，显示电路，温度补偿电路和超声波发送和接收电路。图1 系统硬件框图A.超声波发射电路超声波发送电路图如图2所示。发送电路主要由反相器和超声波换能器组成。先将单片机的P1.0引脚与一反相器相连，再连接到超声波传感器的一极；然后将P1.0引脚与两个反相器串联，再连接到超声波传感器的另一极。通过这种推挽式的连接方法，可以提高超声波的发射强度。反相器并联，可以增加输出超声波的驱动能力。上拉电阻R1和R2不仅可以增大驱动换能器的驱动电压，还可以增加超声波传感器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。图2 超声波发送

5、电路B.超声波接收电路超声波接收电路图如图3所示。ASIC CX20106用于检测红外线。CX20106的频率是38KHz，非常接近所需超声波的频率。所以可以用CX20106来设计超声波接收电路。图3 超声波接收电路C. 单片机系统和显示电路以STC89C52RC单片机为中心的测距系统，使用12MHz的晶体作时钟基准，可获得稳定的时钟频率并减少测量误差。单片机的P1.0端口输出触发超声波传感器的40 KHz的方波。外部中断0用来监测信号是否返回。显示电路由4位共阳LED组成。用74LS245来实现4位数码管的段选，由三极管9012来实现数码管的位选。显示电路电路图如图4所示。图4 显示电路D.

6、温度补偿的电路在超声波测距系统中,影响测量精度的因素很多,包括现场环境干扰、时基脉冲频率等,但环境温度对声速的影响最大。从超声波声速的经验公式（2）可以看出,在040声速变化范围为331.4m/s354.85m/s。以超声波在20的室温条件下的声速值343.32 m/s为基准,其变化率为6.83%。所以温度的影响不能忽略不计。而且在外界条件下,比如在夏天的室外,温度往往不止40,所以在超声波测距系统中,有必要对温度进行测量和补偿,以减少温度对测量精度的影响。目前大多数温度测控系统在进行温度检测时都是用温度传感器将温度转化为电量后,经信号放大电路放大到适当的范围,再由A/D转换器转换成数字量来完

7、成的。这种电路结构复杂,精度易受元器件参数的影响。为此,利用1-Wire数字温度传感器DS18B20和MC-51系列单片机为主体,构成了一个高精度的数字温度测量系统。可以提高测量系统的精度。DS18B20的DQ引脚直接连接到单片机的P3.7引脚。电路设计如图5所示。图5 温度补偿电路DS18B20是美国最新推出的数字式温度传感器,与传统的热敏电阻温度传感器不同,它能够直接读出被测的温度值,并且可根据实际要求,通过简单的编程,实现9或10位的A/D转换。因而,使用DS18B20可使系统结构更趋简单,同时可靠性更高。测得温度,用以下公式校正声速：V (T) = (331.05+0.607T) (m

8、/s) (2)上式中，T为环境摄氏温度（）四、系统编程超声波测距系统的软件设计主要包括主程序，超声波发送子程序，超声波接收子程序，温度补偿子程序和显示子程序。一方面，汇编语言效率高、时间短、操作方便；另一方面，在测距编程中，计算复杂，需要较精确的结果。所以选择汇编语言来设计此系统。A.主程序首先进行主程序初始化，设置定时器T0为16位工作方式，其次设置中断使能位EA，然后初始化端口P0和P2，用于控制显示电路。温度补偿子程序用DS18B20所测得温度值修正超声波的传播速度。同时，调用超声波发送子程序。为了避免从发射器到接收器的直波传输，需要延迟约0.1毫秒（所以有测量盲区），使外部中断0接收到

9、返回信号。使用的12MHz晶体作时钟基准，定时器能方便的计数到1s的精度，当主程序检测到接收回波成功标志位时，根据定时器T0值计算出与被测物之间的距离，多次测量，并将结果在LED上显示出来。主程序的流程图如图6所示。图6 主程序流程图B.发送子程序和接收子程序发送子程序通过端口P1.0发送2个超声波脉冲（约40kHz的方波），脉冲宽度约为12s。同时，定时器T0开始计时。本系统利用外部中断0来检测回波信号。当检测到回波信号时（INT0引脚为低水平时），进入中断程序，定时器T0停止计时，成功标志位置1。当定时器溢出时，仍未检测到回波信号，定时器T0溢出中断并关闭外部中断0，同时清除成功标志位。则

10、未能成功实现测量。C.温度补偿子程序和显示子程序根据所测的实时温度，代入式（2）计算出超声波的传播速度。 在显示程序中，通过查找表的方式显示测量距离。五、数据处理电路处理信号时过程会产生一个固定的延迟t，单片机响应也会产生一个固定的延迟t。以上所产生的延时皆会导致一定的测量误差，通过修正延迟时间可以减少测距误差。假设，S1和S2表示距离，为固定值。 t1和t2与S1和S2分别相关（包含t因子）。因此，S1和S2，分别对应于时间函数t1-t和t2-t的关系式。S1= 0.5V（t1-t），S2= 0.5V（t2-t），t可由这两个关系式计算得：距离，通过以上的处理数据可减少系统误差。 （3） 经

11、过多次测量，可以计算出系统的延迟t。根据式（1），可确定所测量的六、实际测试及分析测量数据如表7所示。表7 实际测量数据（单位：厘米） 实际距离 5 10 15 20 25 30 35 显示距离 25 25 25 25 26 31 35 实际距离 350 355 360 365 372 380 385 显示距离 351 356 361 366 374 25 25实验数据显示：超声波测距系统的盲区（超声波传感器可以检测到的最小距离）为25cm，可检测到的最大距离是372cm。在设计程序时，为了避免从超声波发射器到超声波接收器的直波传输，系统延时了约1.4ms，所以超声波测距系统拥有最小测量距离。

12、超声波传播时会产生一定程度的衰减、超声波的发射功率有限，所以很难检测远距离传输的回波信号。所以系统有最大可测量距离。另一方面，温度补偿可以提高测量的精度。七、结论此设计中，主要利用超声波的反射特性来设计基于STC89C52RC单片机的超声波测距系统。超声波测距系统通过非接触检测方式实现测距，其有效测量范围为25cm372cm。当测量环境的温度变化时，温度补偿电路可以提高的测距系统的精度。修改系统延时后，可以减小系统延时带来的测量误差，并显着改善系统的测量精度。通过硬件和软件设计验证了超声波测距系统的合理性和可行性。这种测距系统的测量结果可靠、稳定，可满足精度要求高的场合，如液位的测量，机器人定

13、位等。致谢首先，感谢IEEE给我这次机会，其次，我要感谢我的老师郭先生，最后也是最重要的，衷心感谢给我提供技术支持的同事们。参考文献1 WANG AI ZH. Design and reality of ultrasonic ranging system base on the microcontrollerJ. Journal of Xinzhou Teachers University, 2010,26(2): 44-46.2 KANG Y P, LIU ZH Y, GUO X, et al. Design of high-precision ultrasonic wave ranging systemJ. Experimental Technology and Management, 2010, 27(3): 61-64.3 WANG ZH J, SU X Y, HAN Y P. Ultrasonic distance measurement system with high precision