一种新超声波测距系统的设计

　　1 引言

　　超声波测距是一种非接触式的检测方式,因其具有频率较高、沿直线传播、方向性好、绕射小、穿透力强、传播速度慢(约340m/s,与声速相同)等特点,因而超声波测距在物体识别、车辆自动导航、工业自动控制、建筑工程测量和机器人视觉识别等方面得到广泛的应用。目前超声波测距主要利用超声波测测试仪与障碍物之间的距离。本文提出一种新的超声波测距系统—合作式超声波测距系统,该系统采用异频合作方式,可测空旷地区任意两点之间的距离,而且考虑了超声波传播过程中声强的衰减和温度对速度的影响,从而使测距范围大,抗多径效应,测量精度高。

　　2 超声波测距的基本原理

　　超声波发生器在某一时刻发出超声波信号,当超声波遇到被测物体后反射回来,测出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间,利用超声波在介质中的传播速度,就可以计算出被测物体的距离:

　　其中d为被测物体到测距仪之间的距离, v为超声波在介质中的传播速度, t为超声波从发射到接收所用的时间。为了提高精度,需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系:

　　式中:T为实际温度(e),v为超声波在介质中的传播速度(m /s)。

　　3 超声波测距系统的设计

　　本系统采用异频合作方式,主要由单片机及其显示电路、温度补偿电路、超声波发射电路、超声波接收电路、时间增益补偿电路等组成,系统框图如图1,工作原理为:甲部分的单片机发出一个25kHz的脉冲信号,通过超声波发射电路发射出去,同时启动单片机内部的定时器开始计数,当乙部分接收到该脉冲信号后,经处理立即发射一个40kHz的脉冲信号给甲部分,当甲部分收到这个40kHz的信号,单片机产生一个中断请求信号,定时器停止计数。甲部分的单片机读取超声波从发射到接收的时间差,并根据采集来的温度进行温度补偿后,最后经换算得出两者之间的距离并送显示电路。这里需要指出的是,乙部分从接收到25kHz的脉冲信号到发射40kHz的脉冲信号给甲部分所用时间可以计算得出,这个时间要在甲部分计数器所计时间中减去,以减少系统带来的误差。

　　3.1 单片机AT89C51

　　AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。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廉价的方案。它的外部引脚多,程序存储容量大,同时也具有内部定时、计数和全双工串口。AT89C51的最大计数分辨率为振荡器频率的1/12,对于12MHz晶振来说,距离不确定度约为1mm,因此满足本设计要求。