結(jié)合溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種以AT89C2051單片機(jī)為核心的超聲波測距系統(tǒng)，它具有低成本，高精度，微型化數(shù)字顯示的特點(diǎn)。為提高測量精度，在測量時(shí)使用了DS18B20溫度傳感器對系統(tǒng)進(jìn)行有效的溫度補(bǔ)償。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定、檢測速度快、測量簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制。
關(guān)鍵詞：超聲波；換能器；測距；單片機(jī)；溫度傳感器

0 引言
超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械震蕩，它是由與介質(zhì)相接觸的震蕩源所引起的，其頻率在20kHz以上。由于超聲波的速度相對于光速要小得多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，因而利用超聲波測距在很多距離探測應(yīng)用中有很重要的用途，包括無損檢測、過程測量、機(jī)器人測量和定位，以及流體液面高度測量等。利用單片機(jī)控制超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于實(shí)現(xiàn)，并且測量精度高。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
超聲波測距的最遠(yuǎn)距離和分辨能力，不僅需要良好的換能器，也需要合理的驅(qū)動(dòng)電路及回波探測電路。對發(fā)射而言，為了使電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效益最大，換能器必須工作在它的共振頻率處。對接收電路而言，為了使機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換效率最大，最佳工作點(diǎn)必須取在反共振頻率處，在傳感器系統(tǒng)中，發(fā)射部分的共振頻率要與接收部分的反共振頻率相匹配。同時(shí)，溫度對聲速有著較大的影響，溫度補(bǔ)償無疑是減少誤差的很好方法。本設(shè)計(jì)選用T40-16T／R超聲波傳感器，設(shè)計(jì)了一種以AT89C2051單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)測量精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，在硬件上增加了溫度傳感器測溫電路，采取聲速預(yù)置和媒質(zhì)溫度測量相結(jié)合的辦法對聲速進(jìn)行修正，降低了溫度變化對測距精度的影響。有力提高了超聲波測距系統(tǒng)的測量精度。
設(shè)計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊、溫度測量補(bǔ)償模塊等五個(gè)模塊組成，組成框圖如圖1所示。

超聲波發(fā)射電路由單片機(jī)輸出端直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送，超聲波接收電路輸出端與單片機(jī)相連接，單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。單片機(jī)在TO時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間t，由此便可計(jì)算出距離。
2．1 超聲波測距單片機(jī)控制系統(tǒng)
單片機(jī)AT89C2051采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)P3．5端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)，P3．6端口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡單實(shí)用的3位共陽LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機(jī)的P1口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的P3．2、P3．1、P3．0口，數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用PNP三極管S9012三極管驅(qū)動(dòng)。而溫度測量采用簡單的DS18B20溫度傳感器，測量結(jié)果送入P3．4口，利用公式算出聲速。