时差法超声测距仪的研制

　　1引言

　　超声波是由机械振动产生的,可在不同介质中以不同的速度传播,具有定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点。超声波传感器可广泛应用于非接触式检测方法,它不受光线、被测物颜色等影响,对恶劣的工作环境具有一定的适应能力,因此在水文液位测量、车辆自动导航、物体识别等领域有着广泛的应用。本文着重介绍脉冲回波法的超声空气测距原理及系统构成。

　　2工作原理

　　超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测出发射和接收回波的时间差Δt,然后求出距离S。在速度v已知的情况下,距离S的计算,公式如下:

　　S=vΔt/2

　　在空气中,常温下超声波的传播速度是334米/秒,但其传播速度V易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大,如温度每升高1℃,声速增加约0.6米/秒。因此在测距精度要求很高的情况下,应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。已知现场环境温度T时,超声波传播速度V的计算公式如下:

　　V=331.5+0.607T

　　这样,只要测得超声波发射和接收回波的时间差Δt以及现场环境温度T,就可以精确计算出发射点到障碍物之间的距离。微电脑超声测距仪的硬件结构框图如图1所示。该系统由AT89C2051单片机、超声波发射电路、接收放大电路、环境温度采集电路及显示电路组成。AT89C2051单片机是整个系统的核心部件,用来协调各部件的工作。先由单片机控制的振荡源产生40kHz的频率信号以驱动超声波传感器,它每次发射10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差Δt;同时温度采集电路也将现场环境温度数据采集到单片机中,以在计算距离时对超声波传播速度进行修正。根据所采集到的数据最终利用单片机计算出被测距离,并由显示器显示出来。

　　2.1单片机与各部分电路的接口

　　本系统以AT89C2051单片机为核心来实现对各部分电路的控制和响应。在进行硬件设计时,AT89C2051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LM331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,可通过软件使P1.7口输出高电平或低电平,从而控制超声波的发射; P1.6通过一个开关二极管IN4148与比较器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”; P1.2口连接比较器LM324的输出端,这样,通过扫描P1.2口就可以判断是否接收到回波。