基于单片机控制的超声波测距仪的设计

　　0 引言

　　利用超声波来测距是一种传统的非接触测量方法。由于它具有不受外界因素影响,对环境有一定的适应能力,且操作简单,测量精度高等优点而被广泛应用。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场,例如:液位、井深、管道长度等场合。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪,但是专用集成电路的成本很高,并且没有显示,操作使用很不方便。本文介绍一种以AT89C2051单片机为核心的低成本、高精度、微型化超声波测距仪的设计方法。

　　1 超声波传感器测距原理

　　超声波是指谐振频率高于20Hz的声波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波为直线传播方式,碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波,频率越高反射能力越强。为此,利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。超声波传感器的使用非常简单。本测量系统采用压电式超声波传感器,它是利用压电效应的原理将电能和机械能相互转化,即在发射超声波时,将电能转化为机械振动,发射超声波;而在收到回波的时候将超声振动转换成电信号。这种传感器价格低廉,其性能几乎不受传播媒介的影响,碰到障碍物后,反射近100%的超声波,因而,可以用来探测物体。超声波测距的方法为脉冲反射法,发射换能器不断发射声脉冲,声波遇到障碍物后反射回来被接收换能器接收,测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间,再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离,即:

　　d1=ct/2,式中d1为与障碍物间的距离,单位(m); c为声速,单位(m/s); t为第一个回波到达的时刻与发射脉冲之间的时间差,单位(s)。

　　由于超声波的传播速度c受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大。本系统测距精度要求很高,故应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。空气中声速与温度的关系可表示为:0.607T,式中T为环境温度,单位(e)。为此,只要测得发射与接收回波的时间差及现场环境温度就可计算出发射点与目标之间的距离。

　　2 系统结构及工作原理

　　该测距系统由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辅助电路组成。采用收发同体传感器。AT89C2051单片机整个系统的核心部件,协调各部件的工作。当AT89C2051接到外部启动测距命令后(由手动来完成),立即控制振荡源产生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,提供计算地对超声波传播速度的修正。利用上述公式即可求出预测距离。本测距系统的结构框图如图1所示: