超聲波測(cè)距應(yīng)用研究

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1、超聲波測(cè)距應(yīng)用研究本文介紹了基于單片機(jī)控制的超聲測(cè)距原理：由AT89C51控制超聲波發(fā)射模塊產(chǎn)生超聲波，同時(shí)計(jì)時(shí)，超聲波碰到目標(biāo)物反射到接收模塊的往返時(shí)間乘以超聲波傳播速度得到實(shí)測(cè)距離。并用四位LED數(shù)碼管顯示距離。本方法具有易控制、工作可靠、測(cè)距準(zhǔn)確度高、可讀性強(qiáng)和流程清晰等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)后的產(chǎn)品可用于需要測(cè)量距離參數(shù)的各種應(yīng)用場(chǎng)合?！娟P(guān)鍵詞】超聲測(cè)距AT89C51近年來(lái)，隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波精確測(cè)量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而超聲波測(cè)量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青

2、睞。隨著機(jī)器人技術(shù)在其誕生后短短幾十年中的迅猛發(fā)展，它的應(yīng)用范圍也逐步由工業(yè)生產(chǎn)走向人們的生活。機(jī)器人通過(guò)其感知系統(tǒng)察覺(jué)前方障礙物距離和周圍環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)繞障、自動(dòng)尋線、測(cè)距等功能。超聲波測(cè)距相對(duì)其他測(cè)距技術(shù)而言成本低廉，測(cè)量精度較高，不受環(huán)境的限制，應(yīng)用方便，將它與紅外、灰度傳感器等結(jié)合共同實(shí)現(xiàn)機(jī)器人尋線和繞障功能。超聲波由于方向性強(qiáng)、衰減緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而經(jīng)常用于距離的測(cè)量。主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、測(cè)距儀、物位測(cè)量?jī)x、移動(dòng)機(jī)器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等，例如：距離、液位、井深、管道

3、長(zhǎng)度、流速等場(chǎng)合。利用超聲波檢測(cè)往往響應(yīng)速度快，但計(jì)算方便、易于實(shí)時(shí)控制，測(cè)量精度也能達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求，因此在現(xiàn)代控制和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)該方法得到廣泛的應(yīng)用。1超聲波測(cè)距的原理超聲波是指頻率高于20kHZ的機(jī)械波，其頻率較高，波長(zhǎng)很短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播，具有優(yōu)異的束射性與方向性。超聲波測(cè)距正是利用此特性，首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物反射回來(lái)所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物Z間的距離。測(cè)距的數(shù)學(xué)公式表示為：S二CXT式中S為測(cè)量的距離；C為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；T為超聲波傳播的

4、時(shí)間（T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的l/2）o2誤差分析由超聲波測(cè)距公式S=CXT,可知測(cè)距的誤差又兩個(gè)因素，其一為超聲波的傳播速度誤差，其二為測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差。2.1時(shí)間誤差如果要求測(cè)距誤差小于1伽，假設(shè)已知超聲波速度C=340m/s（20°C室溫），忽略聲速的傳播誤差。時(shí)間誤差?t^0.001/340^0.000029s,即2.9pSo忽略超聲波傳播速度誤差的前提下，時(shí)間誤差精度只要達(dá)到微秒級(jí)，就能達(dá)到測(cè)距誤差小于lmni的要求。實(shí)際測(cè)量中用12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能可靠的計(jì)數(shù)到

5、1Ps的精度，即滿足設(shè)計(jì)要求。2.2超聲波傳播速度誤差超聲波的傳播速度與空氣的密度相關(guān)，空氣的密度高則傳播速度就快，而空氣的密度與溫度有著密切的聯(lián)系。根據(jù)實(shí)際測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，超聲波速度與溫度關(guān)系如下：c=co公式中：T為空氣的絕對(duì)溫度。CO為零攝氏度時(shí)的聲波傳播速度332m/s；超聲波測(cè)距過(guò)程中就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去，例如當(dāng)溫度0°C時(shí)超聲波速度是332m/s,30°C時(shí)是350m/so3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)控制發(fā)岀超聲波，不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差A(yù)T

6、,然后求出距離S二C.AT/2,式屮的C為超聲波波速。首先我們知道AT89C51系列單片機(jī)內(nèi)部是有2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的，那么我們就用這個(gè)計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)。并且該系列單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)寄存器，我們可以將從計(jì)時(shí)器獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并寄存在單片機(jī)的寄存器中，利用單片機(jī)軟件編程與預(yù)存的超聲波傳播速度相乘，得出測(cè)量距離通過(guò)顯示電路將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。超聲波測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。單片機(jī)發(fā)出40kHZ的信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用比較電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中

7、斷程序，測(cè)得時(shí)間為AT,等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測(cè)量精度能夠達(dá)到要求。再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送LED顯示。用復(fù)位電路重置系統(tǒng)后可進(jìn)行下一次測(cè)試。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，由主程序、超聲波發(fā)牛子程序、超聲波接收中斷子程序、溫度測(cè)量子程序、距離計(jì)算子程序、顯示子程序、鍵盤掃描處理程序等模塊組成。5結(jié)論該系統(tǒng)整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89C5U超聲波發(fā)射和接收電路中都對(duì)相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行整形及放大，以保證測(cè)量結(jié)果盡可能精確。超聲波探頭接口實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射

8、和接收。等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整。整體結(jié)構(gòu)包括超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、放大電路、比較電路、震蕩電路、單片機(jī)電路、鍵盤輸入電路、電源電路、復(fù)位電路、顯示電路等幾部分模塊組成。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)試該系統(tǒng)能夠滿足一般近距離測(cè)距的要求，且成本較低、有良好的性價(jià)比。當(dāng)今汽車普及到千家萬(wàn)戶，倒車?yán)走_(dá)的需求不可謂不大，而木設(shè)計(jì)方法可以廣泛的應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)的測(cè)距屮，所以其經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。限制該系