带有温度补偿的超声波测距仪的设计

    0　引言

    利用超声波定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御天敌及捕获猎物的生存手段,这些生物体可发射人们听不到的超声波(20KH以上的机械波),借助 空气介质传播,根据猎物或障碍物反射回来的回波的时间间隔及强弱,判断猎物的性质或障碍物的位置。人们根据仿生学原理,开发了超声波测距和无损探伤等一系 列实用技术。

    1　超声波测距系统的构成及工作原理

    超声波测距的方法有声波幅值检测法、相位检测法和渡越时间法等。相位检测法虽精度高,但检测范围有限;声波幅值检测法易受发射波影响。本系统采用超声波渡 越时间检测法:检测从超声波发射器发射的超声波,经过气体介质传播回接收器的时间,即渡越时间。渡越时间与波速相乘即为声波传输的距离。

    超声波测距系统可采用单片机作为控制器,如图1所示。单片机控制超声波传感器发出40kHz[1]的超声波信号,同时开始同步计时,超声波在空气传播过程 中遇到障碍物时会发生反射现象,超声波接收器接收到反射波时立即停止计时。根据计时器记录的时间间隔t,可以计算出发射点距障碍物的距离(S),即: S=Vt/2,式中V为超声波的波速。

    在常温下,超声波的传播速度为340m/s,但其传播速度V易受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中温度的影响最大。一般温度每升高1℃,声速增加约为0·6m/s。表1为超声波在不同温度下的波速值。

　由此可见温度对于超声波测距系统的影响是不可忽略的。为了得到较为精确的测量结果,必须对波速进行温度补偿。通过实验可获得波速与温度之间的经验 模型:V=331·5+0·607T,T为现场温度,V为实际波速。从式中可看出,要获得准确的波速值,必须首先获取现场温度T的大小。本文采用 DS18B20检测现场温度,用以实现实际波速的校准。

     2　数字温度传感器DS18B20[2]

    目前,大多数温度测控系统在进行温度测量时,通常采用模拟式温度敏感元件,如热电阻、热电偶、红外测温仪等,将温度转化为电信号,经过信号放大电路放大到 合适的范围,再由A/D转换器转换为数字量。此种形式的温度测量结构复杂,调试繁锁,测量精度易受元器件参数影响。

    DS18B20是Dallas公司开发的1-W ire(单总线)高精度数字式半导体温度传感器,它具有节省系统I/O口线资源,结构简单,成本低廉,精确度高,便于总线扩展和维护等诸多优点。1-W ire(单总线)是Dallas半导体公司近年推出的新技术。他将数据线、控制线、地址线合为1根信号线。单总线适用于单个主机系统,能够控制一个或多个 从机设备。