超声波测距主要应用于非接触测量领域。目前测距专用超声波系统由于成本高等的原因,在一些中小规模的应用领域中难以广泛应用。随着汽车智能化的发展,需要研制出能够以更高的精度测距的新式传感器,且成本低廉。但是以往的超声波传感器由于高精度的要求,结构复杂,且不能够根据不同的环境自动调节,成本高,适应性差。本文介绍一种以AT89C2051 单片机为核心的低成本、高精度的数字显示超声波测距仪的研制。由于这种超声波传感器可以测试周围环境温度并可自我调节,性价比要好于现有的一些同类产品。这种传感器能够在0℃~ 40℃的温度范围内,测距范围为0.1m~0.3m,精度为1mm,因此能够应用于一些特殊的场合,如自助式停车,智能悬架和车前灯调节等。
测距系统的硬件设计
超声波测距系统工作原理如图1。本系统由AT89C2051 单片机、超声波发射、接收放大电路、环境温度采集电路及显示电路组成。AT89C205l单片机是整个系统的核心部件,协调各部件的工作。单片机控制的振荡源产生40kHz 的频率信号来驱动超声波传感器,每次发射包含l0 个脉冲,当第一个超声波脉冲发射后,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,这样就能够得到从发射到接收的时间△t;温度采集电路也将现场环境温度数据采集送到单片机中,提供计算距离时对超声波传播速度的修正。最终单片机利用公式计算出被测距离,由显示器显示出来。单片机的串行口 RXD、TXD 分别与显示电路的RXD 和TXD 相连,构成串行静态显示电路;定时／记数器T0,与V/F 转换器的输出端相连,实现频率采集功能;P1.7 与CMOS 多谐振荡器的控制端相连,通过软件使P1.7 口输出高或低电平,从而控制超声波的发射;P1.6 通过一个开关二极管IN4l48 与比较器LM324的基准电压产生电路控制端连接,发射超声波时置P1.6 为“1”,输出的电平可以抑制比较器的翻转,从而能有效地抑制发射器发射的超声波直接辐射到接收器而导致错误的检测;发射结束后,P1.6 置为“0”,此时通过扫描与比较器输出端连接的P1.2 121,根据P1.2 口的输入状态判断是否接收到回波。
超声波发射及驱动电路由CD4011组成的RC振荡器产生,温度传感器采用AD590。
检测法及补偿原理
超声波测距通过下列公式计算：
式中,Tf —超声波传播时间;
Vs—空气中的声速;
k—系数,近似为0.5。
作者: 电子设计应用 石峰
温度传感器与误差的自动补偿
空气温度由一个温度传感器检测并经电路处理得出。它装在探头中,误差不超过1℃。误差的自动补偿可以由图2 所示的简单模拟电路得出。V 与所测距离成正比。
软件设计思想
由于超声发射传感器与超声接收传感器相隔很近,当发射超声波时,接收传感器会收到很强的干扰信号。为防止系统的误测,在软件上采用延迟接收技术,以此提高系统的抗干扰能力。当起始键按下,即发送发射超声波的指令,控制系统开始执行程序,完成对温度的采集;发送、接收超声波的时间间隔的测量;最后通过数值处理程序计算出被测距离,送显示器显示。本系统软件采用模块化设计,由主程序、测距子程序、测温子程序、显示子程序等主要模块组成。主程序框图如图4所示。
测试结果
本系统应用于非接触式测距。对相距0.1m~0.3m的两物体、环境温度从0℃ ~40℃之间变化时,进行了实际测试,由于系统增加了温度修正系统及软件补偿技术,大大提高系统的测量准确度。实际测试证明,经修正后该系统的测量准确度可达到±0.01m。
结束语
本文提出的基于单片机的超声波测距系统,具有成本低、精度高、误差小、显示直观、电路简单以及抗干扰性好等优点,能够满足一些中小规模系统的测量要求。尤其能够应用于一些特殊的场合,如自助式停车,智能悬架和车前灯调节等。