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基于单片机的超声波测距系统的设计

2012-06-28 10:28
seele_jin
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1 引言

  超声波测距作为一种典型的非接触测量方法,与激光测距、红外线测距相比,超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感,更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境,在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势。由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度,对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统,因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低,且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响,在各种场合均得到广泛应用,如倒车防撞雷达、海洋测量、物体识别、工业控制,建筑工程测量和机器人视觉识别。

2超声波测距基本原理

  超声波测距的基本工作原理是测量超声波在空气中的传播时间,由超声波传播时间和传播速度来确定距离障碍物的距离,即脉冲--回波方式。该方式的基本电路框图如图1所示。由发射传感器、发射电路、接收传感器、接收放大电路、回波信号处理电路和单片机控制电路等几部分组成。

  发射电路是一个工作频率为40khz的多谐振荡器,多谐振荡器受单片机控制,产生一定数量的发射脉冲,用于驱动超声波发射传感器,并激励出超声波在空气中传播,遇障碍物反射而返回。超声波接收传感器通过压电转换的原理,将由障碍物返回的回波信号转换成电信号,由于该信号幅度较小(几到十几毫伏),因此须由低噪声放大、40khz带通滤波电路将回波信号放大到一定幅度,且干扰成分较少,并由回波波号处理电路转换成方波信号,送至单片机系统进行时间测量和距离的显示。

  超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:s=ct/2。

  在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器t0,利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时,接收电路输出端产生一个负跳变,在int0端产生一个中断请求信号,单片机响应外部中断请求,执行外部中断服务子程序,读取时间差,计算距离。

3 超声波测距的误差分析

  3.1 环境温度对测量精度的影响

  利用超声测距要考虑媒质的弹性模量和密度对声速的影响。在气体中,压强、温度、湿度等因素会引起密度的变化,气体中声速主要受密度影响,超声波在固体中传播速度最快,气体中传播速度最慢。气体中声速受温度影响最大,超声波在空气中传播速度为

  式中t为绝对温度,c0=331.4m/s。

  由于声速与温度有关,为了提高测量精度,设置了温度检测电路,根据实际测量的温度值利用公式计算超声波速度,对最终测量结果进行校正。

 

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