智能超声波测距系统的设计

第３５卷第２期河南师范大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅｎａｎＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｖ０１．３５Ｎｏ．２２００７年５月Ｍａｙ。２００７文章编号：１０００一２３６７（２００７）０２－－００８６－－０３智能超声波测距系统的设计吴慎山１，聂惠娟１，吴东芳２，付会凯１’３（１．河南师范大学物理与信息工程学院，河南薪乡４５３００７；ｚ．国家纳米技术与工程研究院，天津塘沽３００４５７，３．平原大学机电工程学院，河南新乡４５３００３）摘要：超声波测距系统在不同应用场合，对测量的精度要求不同．通常使用的超声波测距系统一般误差较大，不能满足某些工业场合的测量要求．设计与研制的超声波测距仪，考虑了温度对超声波传播速度的影响，不仅增加了智能播报功能，具有更高的精度；而且使用更方便，应用场合更广泛．关键词：单片机；超声波；测距中图分类号：ＴＮ８０６文献标识码：Ａ超声波因其指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远等特点，而经常用于进行各种测量．如利用超声波在水中的发射，可以测量水深、液位；利用超声波在固体中的传播，可以用作金属探伤、医用Ａ超、Ｂ超等．利用超声波测距，使用单片机系统，设计合理，计算处理也较方便，测量精度能达到各种场合使用的要求．１超声波测距的基本原理超声波发生器在某一时刻发出超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，被超声波接收器接收，只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间，知道超声波在介质中的传播速度，就可以计算出距被测物体的距离：ｄ—ｓ／２＝（ｖ×ｔ）／２，（１）其中ｄ为被测物到测距仪之间的距离，ｓ为超声波往返通过的路程，ｖ为超声波在介质中的传播速度，ｔ为超声波从发射到接收所用的时间．为了提高精度，需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系：Ｉ，一３３１．４＋０。６１Ｔ，（２）式中：Ｔ为实际温度（℃），ｖ的单位为（ｍ／ｓ）．２系统硬件设计本系统硬件电路由单片机及其辅助电路、温度检测电路、超声波发射电路、超声波接收电路、语音播报单元、显示电路构成如图１所示．２．１ＩＯＡ０一ＩＯＡ４Ｉ超声波发射｝￡爿驱动电路｝每ＩＯＢ０１０８１０－ＩＯＢｌ４扭声波接蚓放大整形电路目匾蕊辨毒＝爿网＝纠电源电路ＩＯＢ２ＶＣＣＳＰＣＥ０６１Ａ１０Ａ１５ＤＡＣｌ匕＝蛎丽图ｌ超声波测距仪的硬件组成单片机ＳＰＣＥ０６１Ａ１６ｂｉｔＣＰＵ本系统采用的单片机是由凌阳科技推出的一个１６位高性能的微控制器ＳＰＣＥ０６１Ａ．此单片机内置８路ＡＤＣ，２路ＤＡＣ．在集成开发环境中，设置有很多语音播放函数，用ＳＰＣＥ０６１Ａ实现语音播放极为方便．处理速度较高，能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号，并且提供了多种精确时钟频率，便于精确定时．收稿日期：２００６一０２—２８；修回日期：２００６—０８—１０基金项目：河南省科技攻关项目（９７１１２０４２７）；２００４年获新乡市科技进步奖作者简介：吴慎山（１９４９一），男，河南孟州人，河南师范大学教授，研究方向：通信，电路与系统．万方数据第２期吴慎山等：智能超声波测距系统的设计８７２．２超声波发射电路为了研究和利用超声波，人们已经设计和制作了许多超声波发生器．总体上超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式的超声波发生器，一类是用机械方式的超声波发生器．电气方式的包括压电型、电动型、磁致伸缩型等；机械方式有加儿统笛、液哨和气流旋笛等．目前测量较近距离常用压电式超声波发生器．本设计采用谐振频率为４０ｋＨｚ的压电式超声波换能器，它利用压电晶体的谐振来工作，当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有频率时，压电晶片就会发生共振，产生最大的机械振动，并带动共振板振动产生超声波．反之，如果两电极间未外加信号电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换成电信号，就成了超声波接收换能器了．利用专用定时器芯片８２５４或５５５定时器等电路，可以产生超声波发生器所需的４０ｋＨｚ的方波信号［Ｉ］，本项目利用软件编程，凌阳单片机会产生４０ｋＨｚ的方波信号，输入到功率放大与驱动电路，经驱动电路推动超声探头产生超声波［２］．２．３超声波接收电路超声波换能器接收到反射回来的超声波信号，由放大电路对其进行放大．放大器采用ＬＭ３２４四单元运算放大器，其中３个集成运放单元用作放大电路，１个集成运放单元用作电压比较电路．信号经放大后，由比较器将正弦波信号变为方波信号，供单片机使用，以查询回波的到来［３］．２．４温度检测电路温度检测电路采用美国ＤＡＬＬＡＳ半导体公司推出的单线数字温度传感器ＤＳｌ８８２０测温．具有体积小，接口方便，传输距离远，电路连接简单等特点．测温范围为一５５℃～＋１２５℃，测量误差不超过士０．５℃，反应时间≤５００ｍＳ［４］．ＤＳｌ８８２０有３个管脚，如图２所示．其中①为接地端，②为数据输入与输出端，③端接＋５ｖ电源电压．由于②端属于漏级开路输出，外接上拉电阻，常态下呈高电平口］．２．５语音播报与显示单元广］ｌ喇ＩｌｌｌｌＩＩ语音播报功能利用ＳＰＣＥ０６１Ａ的语音播放系统，通过ＳＰＹ００３０功率放大器，驱动喇叭，完成语音播放．显示单元采用５位ＬＥＤ作为显示部分，其中３位显示所测距离，２位显示环境温度・ＩＩ…ＧＮｇ。热ＤＤ图２Ｄｓｌ８８２０３系统软件设计软件控制系统是本系统的核心，这里采用模块化设计．根据系统功能主要分成五部分：键盘扫描部分、超声波测距程序、数据保存与查询、动态显示、语音播报．系统流程图如图３所示．３．１超声波测距程序开系统初始化键ｊ！；；｝扫描分支超声波测距程序是本系统程序的核心．其中包括用数字温度传感器ＤＳｌ８８２０来测温度．流程图如图４所示．在设计中，超声波换能器的４０ｋＨｚ信号是以１４个脉冲序列进行发射，１４个脉冲序列的时间为３５０ｓ，在程序中用延时实现．３．２动态显示部分辞岁憋／洲陲串行口接＼．！簸》到命令？／ＩＮ图３超声波测距的系统流程数据显示，语音播报显示电路采用５位共阳ＬＥＤ数码管，码段用７４ＬＳ２４４驱动电路驱动，位码用ＰＮＰ三极管８５５０驱动．３．３语音播报本项目还采用语音播报所测距离．采用凌阳ＳＡＣＭ一￥４８０放音模式进行语音播报，其播放流程如图５所示．万方数据８８＇河南师范大学学报（自然科学版）２００７生图４测距程序流程图图５语音播报系统流程４结束语利用凌阳单片机组成的智能超声波测距仪，具有迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制等特点，使系统的测量精度完全能够达到工业实用的要求，应用领域得以扩展，不仅可用于倒车雷达、物体位置测量、测井仪嘲等普通场合，而且也可广泛用在移动机器人的研制上．本课题采用单片机脉冲计时以及高精度的温度传感器测量，使得超声波测距达到较高的精度要求．该系统具有语音播报的功能，可以在许多场合下使用，在工业生产和科学研究的测距系统中具有广泛的应用前景．参考文献［１］蔡秀琴．８２５４在提高超声波测距系统精度中的应用［Ｊ］．电子科技，２００５（４）：５３－－５５．［２］李光飞，楼然苗，胡佳文，等．单片机课程设计实例指导［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００４：８６—９１．［３］沈红卫．基于单片机的智能系统的设计与实现［Ｍ］，北京：电子工业出版社，２００５；３０５－－３４４．［４３吴慎山，王芳．智能单片机频率计的原理与设计［刀．河南师范大学学报（自然科学版），２００４，３２（２）；４３—４５［５］沙占友，王彦朋，等．单片机外围电路设计［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００４：３—５．［６］管连俊，李威．智能超声波测距传感器在测井仪中的应用［Ｊ］．煤矿机电，２００５（３）：４５—４８．ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＤｉｓｔａｎｃｅ－ｍｅａｓｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍＷＵＳｈｅｎ－ｓｈａｎｌ，ＮＩＥＨｕｉ－ｊｕａｎｌ，ＷＵＤｏｎｇ－ｆａｎ９２，ＦＵＨｕｉ－ｋａｉｌ（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｎａｎＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｘｉａｎｇ４５３００７ｔＣｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＮａｔｉｏｎａｌＡｃａｄｅｍｙｏｆＮａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｎｇｇｕ３００４５７，Ｃｈｉｎａ；３．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＰｉｎｇｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｘｉａｎｇ４５３００３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｃｃａｓｉｏｎｓ，ｔｈｅｄｅｍａｎｄｓｏｆｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｉｓｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．Ｕ－ｓｕａｌｌｙ，ｔｈｅｅｒｒｏｒｏｆｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｉｓｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｌａｒｇｅ，ＳＯｔｈｅｙｃａｎｎｏｔｂｅｓａｔｉｓｆｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｅｍａｎｄｓｉｎｓｏｍｅＯＣ—ｃａｓｉｏｎｓ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｔａｋｅｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｃｃｏｕｎｔｉｎｔｏｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｉｓｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｍａｋｅｓｉｔｈａｖｅｈｉｇｈｅｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｈａｎｂｅｆｏｒｅａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇｔｈｅｒｅｓｕｌｔ．Ｉｔｃａｎａｐｐｌｙｉｎｍｏｒｅｏｃｃａｓｉｏｎｓａｎｄｂｅｆｅｌｔｍｏｒｅｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅ；ｄｉｓｔａｎｃｅ－ｍｅａｓｕｒｉｎｇ万方数据智能超声波测距系统的设计作者：作者单位：吴慎山，聂惠娟，吴东芳，付会凯，WUShen-shan，NIEHui-juan，WUDong-fang，FUHui-kai吴慎山,聂惠娟,WUShen-shan,NIEHui-juan(河南师范大学,物理与信息工程学院,河南,新乡,453007)，吴东芳,WUDong-fang(国家纳米技术与工程研究院,天津,塘沽,300457)，付会凯,FUHui-kai(河南师范大学,物理与信息工程学院,河南,新乡,453007;平原大学,机电工程学院,河南,新乡,453003)河南师范大学学报（自然科学版）JOURNALOFHENANNORMALUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)2007,35(2)3次刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：参考文献(6条)1.管连俊