基于超声波的距离测量

　　测距技术目前一般采用的有超声波测距、微波雷达测距、激光测距、CCD摄像系统测距四种。这几种测距方式各有优缺点, 超声波传输速度较慢, 主要用于短距离探测; 微波雷达测距环境适应性好但易受电磁干扰; 激光测距测量时间短、量程大、精度高,但对外界自然环境敏感; CCD摄像机系统精度高并可进行三维图像显示, 但价格较高。

　　本文研究的正是超声波测距, 通过软件和硬件的设计使该测距系统不仅在测距范围达到最大, 而且设法提高精度。其硬件成本很低, 制作简单, 维护方便, 显示功能丰富, 还可进行功能拓展。

　　1 方案论证

　　本测距系统基于超声波测速原理, 利用测量超声波发射脉冲和接收脉冲的时间差, 再结合超声波在空气中传输的速度来计算距离, 如图1所示[3]。距离公式为s=ct/2, 其中c为声速, t为发射与接受之间的时间差。通过测量发射与接受装置之间的距离h, 利用直角三角形可求得。由于声波在20℃时的速度为343.5m/s, 即使对于1cm来说, t=2s/c=58.2μs, 这个时间对于单片机处理来说是绰绰有余。

　　在系统启动后, 发射器开始发送40k的方波[4],同时计时器开始计时, 在接收到接收器的声波信号后, 单片机进行计算。虽然超声波的传播速度受温度影响较大, 但可以利用公式v=331.5+0.607T用软件进行温度补偿, 以适应不同温度下的工作要求。系统的基本组成如图2所示。

　　本次测量时间虽然可用单独的计数器来完成,显示和报警也可以用相应的电路, 但由于此次设计涉及到温度校正的计算, 且从功能和电路复杂程度上考虑, 显然单片机系统更具优势。计时功能可由单片机内部集成的定时器完成, 报警和显示可由单片机系统来完成, 用软件也便于调试和修改。所以最终采用了AT89C51单片机。

　　2 测距系统的设计与实现

　　2.1 AT89C51简介

　　AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器FPEROM(falsh programmable anderasable read only memory)的低电压, 高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造, 与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中 , ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器, 为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。它的外部引脚多, 程序存储容量大, 同时也具有内部定时/计数器和全双工串口。输出可直接驱动LED数码管。AT89C51的最大计数率为振荡器频率的1/24。对于12MHz晶振来说, 最高计数脉冲频率为500kHz, 因此可以对40kHz的超声波脉冲计数。由于AT89C51没有内部集成比较器, 需要外接, 它的外接电路要比89C2051复杂, 但功能扩展更灵活。