基于单片机的超声测距系统设计

摘要 : 介绍一种基于单片机的脉冲反射式超声测距系统 , 提出了 系统的总 体构成 , 针 对测距系 统发射 、 接 收、 检测 、 显 示部分的 总体设计方案进行了论证 , 分析了系 统各部 分的硬 件及软 件实现 。 最 后文 中分析 了误差 产生的 原因 , 并 对系统 完善 提出了 一些 建议 。 关键词 : 超声传感器 ; 超声测距 ; 单片机 中图分类号 : TP399 文献标识码 : B 文章编号 : 1006- 0006( 2010 ) 05 - 0057- 03
实际距离 1 实测 2 次数 3 平均值 误差
10 10 10 10 10 0
200 202 200 201 210 1
[ 2] [ 3] [ 4] [ 5]
5 结束语
1) 本系统采用了新型振动模式超声波探头、 抗干扰电路、 单片机 系统以及合理软件算法 , 使得本系统与其他仪器比较 , 具 有一系列突 出优点 : ( 1) 采用 了国产 的超声 波空气 传感器 作探头 , 体积 小、 灵敏度
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李云阳 : 基于单片机的超声测距系统设计
高、 安装简单、 使用方便 , 转换效率也比较高。 ( 2 )发射探头的频率信号来自单片 机系统 , 准 确稳定可 靠 , 而且 可以随时通过软件编程改变频率 , 以驱动相应发射探头。 ( 3 )采用了单片机 , 使系统体积小、 重量轻 , 加强了灵活性和可靠 性 , 修改调试定标都方便。 ( 4 )采用非接触式测量方式 , 应用范围广。 2) 改进及建议 ( 1 )由于探头功率有限 , 只能在室内 小范围测 量 , 如更换 成大功 率探头 , 测距范围将扩大。另外 可以考虑 更换更低 中心频率 的超声 传感器 , 同时修改单片机程序 , 使得测试距离更远。 ( 2 )由于超声波在传播过程中受空气 热对流扰 动以及尘 埃吸收 的影响 , 接收基于单片机的声测 距系统回 波的幅值 随传播距 离的增
图 1 系统框图 Fi g. 1 B l ock D i ag ram o f System
2 硬件设计
2 . 1 发射电路的设计 发射电路设计的主要目的是提高输入到发射探头的 电压及其功 率 [ 3] 。本系统 用单片机 P1. 0发 射一组方 波脉冲信 号 , 其输 出波形 稳定可靠 , 但输出电流和输出功率很低 , 不能够推动发射 传感器发出 足够强度的超声信号 , 所以在此 间加入一 单电源乙 类互补对 称功率 放大电路 , 如图 2 所示。
1 系统概述
发射电路采用单片机 P1 . 0端口编程输出 40 kH z左 右的方波脉 冲信号 , 同时开启内部计数器 T0 。 从接收传感器探头 U CM 40T 传来的超声 回波很微 弱
[ 1]
, 又存在
着较强的噪声 , 所以 放大信 号和 抑制噪 声是 放大 电路必 须考 虑的。 本系统设计此部分电路时采用 一级放大 和一带通 滤波电路 , 中心频 率为 40 kH z 左右 ; 放 大 滤 波 电路 均 采 用 了 高速 精 密 运 算 放大 器 TL082, 输出信号大约在 5 V 左右。 由于放大电路输出的信号 是连续的 正弦波叠 加信号 , 而 单片机 所能接受的中断响应信号常为下降沿脉冲 信号 [ 2] , 故信号 在放大电 路后通过 LM 393构成的比较电路将正弦信号 转换成方波 信号 , 用方 波的负跳变作单片机的中断输 入 , 目的 是使单片 机知道已 接收到超 声信号 , 内部计数器停止计时。 显示电路采用动态扫描 显示 , 主要 是处于节 省硬件的 考虑。通 过单片机编程将内部计数 得到的 时间数 据转换 为距离 信息 , 通过 3 位 LED 数码管显示 , 数据 XXX, 表示 XXX cm。系统框路如图 1所示。
Design o f U ltrasonic Rang ing System Based on S ingle chip Computer
LI Yun yang
( 1. Shenyang A g ricu ltura lU n iversity , Sheny ang 110161, Ch ina ; 2. L iaon ing V o ca tiona l Co lleg e , T ie ling 112001, Ch ina)
172T (T 为发射信 号到接 收之间 经历的 时间 ) [ 5] 。由于 单片机 是按 照 16 进制进行运算 , 所以得出的 S 需要进行转换才能 显示。在这个 部分中 , 信号处理主要包括计数值与距离值换算 , 以及二 进制与十进 制转换。 3) 显示输出。数据传输与显示经软件处理得到的距离送到单片 机 P2口 , 用三位 LED 显示输出。 3 . 2 程序框图 程序框图如图 6 所示。
图 6 程序框图 F ig . 6 Program
加成指数规律衰减 , 使得远距 离回波难 以检测。同 时还有其 他误差 源 , 比如电阻电容的热噪声、 电路延迟引起的渡越时间 检测误差。改 进方法是改善被测表面条件 , 提高探头功率 , 尽可能使用集成芯片。 ( 3 )本系统采用 3 位数码管显示 , 显示 xxx c m, 最少误差为 1 cm, 也可以采用 4 位数码管显示 , 精度提高到毫米级别 , 以满 足更高精度 测量的需要。 参考文献 :
图 2 发射电路 Fi g. 2 T ransm ission C ircu it
收稿日期: 2010 - 01 - 27
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拖拉机与农用运输车
2. 2 接收电路的设计 接收换能器晶片接收到超 声波垂直 作用后 , 因 谐振而形 成逐步 加强的机械振动。因压电效 应晶片两 面出现交 变的等量 异号电荷 , 并且电荷量很少 [ 4] , 只能 提供微 小交变 电压信 号 , 而 不能提 供电流 信号。接收电路的任务是将 这一微小 交变电压 信号充分 放大 , 同时 考虑可能出现干扰信号 , 所以放大的同时加入滤波电 路, 以驱动后面 的比较器输出电位跳变 , 作为确定接收到的时刻 , 如图 3所示。
作者简介: 李云阳 ( 1981- ), 男, 助理讲师, 在读研究生, 研究方向为自动控制。
( 上接第 56 页 )
线。从图中可以看出 , 掺氢燃 烧可以提 高发动机 的有效热 效率。分 析原因 可能是 : 因为氢 的扩散系数高 , 火焰传播速度快 , 缸内混合气 燃烧速度增加。另外 , 氢气由进气道引入 , 缸内氢气和柴 油的燃烧过 程是一种半预混半扩散的燃烧 过程 , 在 一定程度 上具有均 质充气压 缩着火的特点。从图还可以 看出 , 各种 负荷下 , 随 着掺氢率 的增加 , ZS195柴油机的排气温度增加。主要原因是 : 掺 氢燃烧后 , 缸内燃烧 质量改善 , 燃烧速度加快 , 因此排气温度增加。
2 . 4 显示电路的设计
图 3 接收电路 F ig . 3 Receiving C ircu it
显示器是一个典型的输出设备 , 而且其应用是极为 广泛的 , 几乎 所有的电子产品都要使用显示 器 , 其差别 仅在于显 示器的结 构类型 不同。最简单的显示器可以是 LED 发光二极 管 , 可给出一个 简单的 开关量信息 , 而复杂的较完整的显示器应该是 CRT 监视器或 者屏幕 较大的 LCD, 显示的距离范围在 4 m 之内 , 选用 3位 LED 表示 , 表示 距离的 XXX c m 数值 , 如图 5所示。
第 37 卷第 5期 2010 年 10 月
拖拉机与 农用运 输车 T racto r& F ar m T ransporter
Vo. l 37 N o . 5 O ct . , 20 10
基于单片机的超声测距系统设计
李云阳
(1 . 沈阳农业大学 , 沈阳 110161 ; 2. 辽宁职业学院 , 辽宁 铁岭 112001)
4 试验数据
选择墙壁 为被测物 体 , 通过 LED 显示 , 测量 3 次的试验 数据如 表 1所示。
表 1 LED 显示的试验结果 Tab . 1 Result o f LED D isp l ay 20 50 100 150 21 50 100 150 20 20 20 .1 0 . 1 50 51 50 .3 0 . 3 101 101 100 . 6 0 . 6 151 151 150 . 6 0 . 6 cm 300 301 303 302 302 2
Abstrac: t T his thesis introduces a k ind o f sing le pu lse reflection u ltrasonic rang ing system in deta il based on sing le
ch ip processo r . The whole structure o f the syste m by introducing the func tion of ultrason ic d istance m e ter is proposed. A nd then the overa ll so lution design includ ing transm ission, rece iver , detec tion , display fo r th is rang ing syste m is brought ou t . T he hardware and so ftwa re rea liza tion of each pa rt in th is syste m are ana ly zed. In the end, the further measures of mod ification are presen ted. ; U ltrason ic rang ing syste m; S ing le chip compu ter Key wo rds : U ltrason ic senso r
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随着自动化技术的不断发展 , 促进了超声测距技 术的发展 , 并使 其变得 愈加重要 , 目前 已应用于机器人 避障、 汽车工程、 水库液位测 量等诸多领域。超声波测距技术对比激光、 雷达拥有 造价低、 应用场 合广、 实时性强等优 点。因 此, 超声 波方 法作 为非 接触类 测距 的手 段 , 已越来越引起人们的重视。 本文在理论方面对引起超 声测距误 差的原因 进行了分 析 , 同时 对超声测距实际方案也做了设计 , 具有电路简单、 集 成度高、 体积小、 功耗低、 测量精度及灵敏度高、 测量距离长 , 并且价格 低廉、 开发周期 短、 调试方便等优点。
3 软件设计
3. 1 软件功能 系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现 及数据的处 理和应用 , 需要实现以下功能 : 1) 信号发射控制完成脉冲串的输出。 2) 数据存储处理。为了得到发射 信号与接 收回波间 的时间差 , 要读出此时计数器的计数值 , 但不能作为距离值直接 显示输出 , 因为 计数值与实际的距 离值之 间转换 公式为 : S = 0 . 5VT = 0 . 5 344 T=
第 5 期 2010 年 10 月
否能正常工作。检测电路设计的要求是保证每次接收信 号都能被准 确地鉴别出来 , 通常是利用比较 器将输入 信号与某 一固定电 平进行 比较 , 输出不同的电平来产生上升或下降沿触发 , 转换成 数字脉冲去 触发单片机的外中断引脚 , 如图 4所示。
图 4 检测电路 Fi g. 4 D etect i on C ircu it
2. 3 检测电路的设计 接收传感器输出信号经过 上述放大 滤波电路 后 , 就可以 进行信 号检测。其目的是确定接收 信号的到 达时间 , 这 是整个电 路中一个 关键的地方 , 因为它不仅决定系统的测量精度 , 还关系到整个系统是
图 5 显示电路 Fi g. 5 DLeabharlann i s play C ircuit