基于AT89C52單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)

摘要：基于提高測(cè)量精度的目的，設(shè)計(jì)了具有溫度補(bǔ)償?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/超聲波">超聲波測(cè)距系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并通過軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此系統(tǒng)具有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；溫度傳感器；超聲波；測(cè)距

測(cè)距技術(shù)在物位檢測(cè)、醫(yī)療探傷、汽車防撞等民用、工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，由于超聲波的速度相對(duì)于光速要小的多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測(cè)，并且易于定向發(fā)射，方向性好，發(fā)射強(qiáng)度好控制，且不受電磁干擾影響，因而利用超聲波測(cè)距是一種有效的非接觸式測(cè)距方法。但超聲波在不同環(huán)境溫度下傳播速度不同，如忽略溫度影響，將影響最終測(cè)量精度。本文介紹的超聲波測(cè)距儀采用渡越時(shí)間檢測(cè)法，使用了DS1 8B20溫度傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并通過軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)波速的溫度補(bǔ)償，消除了溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，使測(cè)量誤差降低。

1 系統(tǒng)工作原理
超聲波測(cè)距原理如圖1所示。

式中c——超聲波波速：t——從發(fā)射出超聲波到接收到回波所用時(shí)間。
限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法。
由于超聲波屬于聲波范圍，其波速c與溫度有關(guān)，經(jīng)過測(cè)量得出超聲波的波速與溫度的關(guān)系，如表1所示。
將測(cè)量的速度數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行一階擬合得出：
c=331.6+0.6107xT (2)
式中T——當(dāng)?shù)販囟取?br /> 在測(cè)距時(shí)，可通過溫度傳感器自動(dòng)探測(cè)環(huán)境溫度、確定其時(shí)的波速c。波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間t，即可求得距離H，這樣能較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過的路程，提高了測(cè)量精確度。
本設(shè)計(jì)方案中使用渡越時(shí)間檢測(cè)法，測(cè)距儀工作原理為：在由單片機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的同時(shí)，開啟單片機(jī)中的計(jì)時(shí)器，開始計(jì)時(shí)。發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波，在由接收探頭接收到第一回波的同時(shí)停止單片機(jī)計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)，由于超聲波在空氣中的速度已知，根據(jù)公式即可求得探頭與待測(cè)目標(biāo)之間的距離。而且，可以在較短時(shí)間內(nèi)多次發(fā)出超聲波測(cè)量，完成后計(jì)算平均值然后顯示。
超聲波在相同的傳播媒體里(大氣條件)傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，但其頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短。考慮實(shí)際工程測(cè)量要求，在設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀時(shí)，選用頻率f=40kHz的超聲波，波長為0．85cm。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)作為主控制器，使用3位數(shù)碼管作為系統(tǒng)顯示屏，超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)需要的40 kHz脈沖由單片機(jī)P0．0發(fā)出，使用定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)和控制，超聲波接收使用CX20106A作為接收主控芯片，使用DS18B20作為溫度傳感器進(jìn)行溫度校正。超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)原理圖如圖2所示。