超声波传感器测量距离

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1、一、超声波测距原理超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的 同时开始计时，超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回來,超声波接收器 收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为卩，而根据计时器记 录的测出发射和接收回波的时间差Ar,就可以计算出发射点距障碍物的距离S, 即.S = r At /2这就是所谓的时间差测距法。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表1列出了几种不同温度下 的声速。在使用时,如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。常温下超 声波的传播速度是334米/秒,但其传播速度卩易受空气中温度、湿度、压强等因 素的影响，其中受温度的影响

2、较大，如温度每升高1 C,声速增加约0. 6米/ 秒。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是釆 用了温度补偿的方法）。己知现场环境温度7时，超声波传播速度7的计算公式 为：V = 331. 45 + 0. 607T声速 确 定 后， 只表1声速与温度关系表温度（t）-30-20-100102030100声速 （米朋）313319325332338344349386要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。二、系统硬件电路设计图2超声波测距仪系统框图基于单片机的超声波测距仪框图如图2所示。该系统由单片机定时器产生 40KHZ的频率信号、超声波传感器

3、、接收处理电路和显示电路等构成。单片机是 整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机，单片 机复位，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz的10个脉冲信号加到超声波 传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后，单 片机片内计数器开始计数，在检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停止计数，这 样就得到了从发射到接收的时间差根据公式、计算出被测距离，由显示 装置显示出來。下面分别介绍各部分电路：1、超声波发射电路超声波发射电路如图3所示，89C51通过外部引脚P1.0输出脉冲宽度为250 ns , 40kHz的10个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到

4、超声波传感器而 发射出超声波。由于超声波的传播距离与它的振幅成正比，为了使测距范围足够 远,可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。图3中T为超声波传感器，是超声波测距系统中的重要器件。利用逆压电效应 将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射；利用压电效应可以将作用在 它上面的机械振动转换为相应的电信号，从而起到能量转换的作用。市售的超声 波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接 收超声波。兼用型就是收发一体，只一个传感器头，具有发送和接收声波的双重 作用，称为可逆元件。U1E40(594069图3超声波发射电路超声传感器结构超声波发生器T是一个超声频电

5、子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加 到超声换能器的压电陶瓷上时，压电陶瓷组件就在电场作用下产生纵向振动。压 电组件在超声振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，约为（110. 2） Lm, 但这种振动加速度很大，约（10103） gn,于是把电磁振荡能量转化为振动 能量，这种巨大的超声波能量，沿着特定方向传播出來。其关键技术是使超声波 波束变细，除待测物外不受其它构造物的影响。超声传感器是产生超声波必需的 能量转换装置，它把超声电磁振荡的能量转换为声波。.通过上述超声换能结构, 配以适当的收发电路，可以使超声能量的定向传输，并按预期接收反射波，实现 超声遥控、测距、防盗等检测功能。2、超声波

6、接收电路超声波接收及信号处理电路是此系统设计和调试的一个难点。超声波接收器接收反射的超声波转换为40KHz毫伏级的电压信号，需要经过放大、处理、用于触 发单片机中断INTO。一方面传感器输出信号微弱，同时根据反射条件不同信号大 小变化较大,需要放大倍数大约为100到5000倍，另一方面传感器输出阻抗较大， 这就需要高输入阻抗的多级放大电路,这就会引入两个问题：高输入阻抗容易接 收干扰信号，同时多级放大电路容易自激振荡。参考各种资料最后选用了SONY公 司的专用集成前置放大器CX20106达到了比较好的效果。CX20106由：前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型 电路组成。其

7、中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传感器 接收较远反射信号输出微弱电压时放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时 放大器不会过载。其带通滤波器中心频率可由芯片脚5的外接电阻调节。其主要 指标:单电源5V供电，电压增益77 - 79DB ,输入阻抗27 KQ，滤波器中心频率 30 K- 60 KHzo功能可描述为：在接收到与滤波器中心频率相符的信号时，其输 出脚7脚输出低电平。芯片中的带通滤波器、积分器等使得它抗干扰能力很强。CX20106采用8脚单列直插式塑料封装，内部结构框图如图4。超声波接收器 能将接受到的发射电路所发射的红外光信号转换成数十伏至数百伏的电信号，送 到CX

8、20106的脚，CX20106的总放大增益约为80dB,以确保其脚输出的控制脉 冲序列信号幅度在3.55V范内。总增益大小由脚外接的用、C决定，用越小 或61越大，增益越高。61取值过大时将造成频率响应变差，通常取为luf。62为 检波电容，一般取3. 3uf o CX20106采用峰值检波方式，当62容量较大时将变成 平均值检波，瞬态响应灵敏度会变低，62较小时虽然仍为峰值检波，且瞬态响应 灵敏度很高，但检波输出脉冲宽度会发生较大变动，容易造成解调出错而产生误 操作。尼为带通滤波器中心频率/0的外部电阻，改变尼阻值，可改变载波信号的 接受频率，当/0偏离载波频率时，放大增益会显著下降，63为

9、积分电容，一般取 330pf,取值过大，虽然可使抗干扰能力增强，但也会使输出编码脉冲的低电平 持续时间增长，造成遥控距离变短。脚为输出端，CX20106处理后的脉冲信号 由脚输出给单片机处理从而获得显示输出。前覽放大醍幅放大通带桂蜂值灣波积分比荻 SW出D234曲a 吒bF &opF :图4 CX20106内部结构框图本系统中应用的接收电路见图5 ,当89C51的P1.7为高电平时三级管VI导 通，+5V电源通过继电器线圈和VI的发射结到地，使继电器K1接通，R2和R3并联 组成5Q电阻通过C1组成RC电路，控制红外接收专用集成电路CX20106的增益，使 其7脚输出一定幅度的电压信号到89C

10、51的P0. 2口以触发中断。另外该芯片价格在 三到五元,非常节省系统成本。5超声波接收电路3、距离显示电路图6显示电超声波显示电路如图6所示。是利用单片机的串行输出。只用单片机的TXD,RXD端即可显示数字。三、软件程序设计本系统采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、 显示子程序等模块组成，图8为程序流程图。该系统的主程序处于键控循环工作 方式，当按下测量键时，主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子 程序，并把测量结果用显示子程序在数码显示器上显示出來。图8软件程序框图外部中断入口卩关外部中断“读取时间值7计算距离“结果输出“开外部中断“返回卩外部中断服务子

11、程序!1!、具体程序#iiiclude#iiiclude/*定义数据类型*/#defiiie uint unsigned mt#defiiie uchar unsigned chai/*定义系统常数*/long int time; /* 时间 */bit CLflag; /* 测量标志 */chai cshu;/* 串数 */#defiiie T12us (256-12) 严定时器设初值 T= (256-T12us) *12/12MHZ*/*定义功能位,串口用于显示*/sbit VOLCK=P 1.0;/* 发射/sbitMING=P3.2; /*外部中断0检测接收信号*/chai idata

12、 disp9;/*显示数据 */chai idata number9; /* 显示数据 */chai code table =0x03,0x9f,0x25,OxOd,0x99,0x49,0x41,Oxlf,0x01,0x09;/* 码表 0,1,2,3,4,5,6,7,&9 */void dispfbQ /* 显示 5 位数据 */ char i;for(i=0;i5;i+)disp i=table numberi ;disp3=disp3+l; /* 置小数点 */fbr(i=0;i6;i+)SBUF=dispi; wlule(TI=0); TI=0;/*通用延时子程序*/void dela

13、y( intj )mt i; fbr(i=O;i4;i) dispi=Oxff;cshu=O; delav(200);IE=0x80;ET1=O;TRl=0;/*传数*/*延时*/；/*开中断*/ET0=0;TR0=0;TLl=T12us; THl=T12us;wlule(l)key=getkey( if(kev=OxOfe)；/*读键盘*/& CLflag=l)/* 测量 */kev=0; cshu=0;CLflag=0;TLl=T12us;THl=T12us;TLO = 0; THO = 0;/*定时器0的初始时间*/TR0=l; /*启动定时器0,开始记时*/TR1=1;/*启动定时器1

14、,发送信号*/ET1=1;vhile(cshu= 10 & CLflag= 1) Tiinetojuli();dispfbQ;uchai getkey( )char flag;uchai key, keytemp;flag=0;keytemp=Pl;if(keytemp=Oxff) retuni(2 55); else flag=l； delay(100);kev=Pl；Jzif(key=keytemp) return(key);else retuni(255);五、实验结果及分析表2是利用本文的测距仪进行实际测量的结果。由表中数据可见，在20150cm范围内误差相对较小；小于20cm范围内误

15、差较大，这是因为超声波距离 测量存在一定范围的盲区，盲区的出现是因为发出信号必须有一个上升时间，当 距离太近时计算机系统己不能处理迅速返回的反射波信号，所以距离小于0. 2米 测量误差明显增加。300cm以后的数据误差明显增大，这是由于发射功率不够大，接收到的信 号很微弱，引入了一些干扰因素。但电路引入温度补偿电路后总的实验结果误差 在厘米级,基本上可以满足测量要求。实际距离/ cm20.030.040.050.060.070.090.0100.0测量结果/ cm19313951606988100误差53. 332.5201.432. 220实际距离 / cm130.0150.0200.022

16、0.0240.0260. 0280.0300. 0测量结果/ cm126147195221235251270312误差3. 0822.50. 452. 083. 463. 574表2测距仪实测结果结束语本系统利用超声波传感器实现无接触式空气测距，没有考虑环境温度对超声 波传递速度的影响，故本系统在常温下具有测量精度高、抗干扰能力强、反应速 度快等特点，可适用于各种水文液位测量、障碍物的识别以及车辆自动导航等领 域,因此具有广阔的应用前景。参考文献1 马忠梅，等.单片机的c语言应用程序设计.北京航天航空大学出版社,2001 年2 刘瑞星,等.单片机原理及应用教程.机械工业出版社,2006年3 赵

17、珂，等.高准确度超声波测距仪的研制.传感器技术,2003年第22卷第2 期4 藏日章 基于AT89C51单片机的超声波测距系统.电气时代,2005年第7期 牛余朋 基于单片机的高精度超声波测距电路电子世界，2005年5期 姜道连,等用AT89C2051设计超声波测距仪.维普资讯,编号：00121 7胡萍超声波测距仪的研制.计算机与现代化，2003年第10期，编 号:100622475 (2003) 1020054203 吴银凤,等.红外线接收电路CX20106的应用.电气时代，2003年第9期 马殷元基于新型单片机P89C51RD2的倒车雷达设计.甘肃科技，第20卷2004年9月第9期10 刘凤然 基于单片机的超声波测距系统.传感器世界，2001年5月11 李茂山超声波测距原理及实践技术.使用测试技术，1994年3月第1期