基于單片機(jī)的超聲測距系統(tǒng)方案

1、 PAGE10 / NUMPAGES10基于單片機(jī)的超聲測距系統(tǒng)摘要：基于傳統(tǒng)的方法在很多特殊場合：如帶腐蝕的液體，強(qiáng)電磁干擾，有毒等惡劣條件下，測量距離存在不可克服的缺陷，超聲測距能很好的解決此類的問題。本論文主要對單片機(jī)超聲測距系統(tǒng)的原理，單片機(jī)的應(yīng)用等進(jìn)行了分析：對超聲波的發(fā)生電路和接受電路，DS18B20溫度采集電路，LCD顯示電路。硬件制作和軟件設(shè)計，對系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析。關(guān)鍵字：超聲波測距，單片機(jī)，DS18B20溫度補(bǔ)償，LCD顯示，軟件設(shè)計。第一章 引言1.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述 單片機(jī)是一個單芯片形態(tài)、面向控制對象的嵌入式應(yīng)用計算機(jī)系統(tǒng)。它的出現(xiàn)與發(fā)展使計算機(jī)技術(shù)從通用型數(shù)值計算

2、領(lǐng)域進(jìn)入到智能化的控制領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)無疑是當(dāng)前最熱門、最具有發(fā)展前景的IT應(yīng)用之一。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用可以使傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)升級成為智能化的電子產(chǎn)品，使其成為具有“生命”的現(xiàn)代化智能系統(tǒng)?，F(xiàn)代社會中嵌入式系統(tǒng)無處不在，早已被應(yīng)用在國防、國名經(jīng)濟(jì)、以與人們生活的各個領(lǐng)域，主要可以歸納一下幾個方面：軍事裝備：各式武器控制（火炮控制、彈道控制、炮彈引信等），坦克、艦艇、轟炸等各種電子裝備，雷達(dá)、電子對抗、軍事通訊裝備等。家用電器：各種家電產(chǎn)品，如數(shù)字電視、機(jī)頂盒、數(shù)碼相機(jī)、VCD、DVD、可視電視、洗衣機(jī)、手機(jī)、智能玩具等。工業(yè)控制：各種智能儀器儀表、數(shù)控裝置、可編程控制器、分布式控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人

3、、機(jī)電一體化設(shè)備、汽車電子設(shè)備等。商用設(shè)備：各種收款機(jī)、POS系統(tǒng)、電子秤、條形碼閱讀器、商務(wù)終端、IC卡輸入設(shè)備、自動柜員機(jī)、防盜系統(tǒng)等。辦公用品：復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、 機(jī)、手機(jī)、PDA、變頻空調(diào)設(shè)備、通信終端、程控變換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。醫(yī)療電子設(shè)備：各種醫(yī)療電子儀器，如X光機(jī)、超聲診斷儀、心臟起搏器、監(jiān)護(hù)儀等，以與輔助診斷系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等。在線調(diào)試軟硬件 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計包括單片機(jī)基本擴(kuò)展、外圍電路設(shè)計和程序設(shè)計、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)可靠性設(shè)計、電磁兼容性設(shè)計等容。通常開發(fā)一個單片機(jī)系統(tǒng)的步驟如下：脫機(jī)運(yùn)行安裝調(diào)試制作PCB板設(shè)計單元電路總體方案設(shè)計圖1.1.1 設(shè)計步驟1.2 超聲

4、波測距離系統(tǒng)概述在基于傳統(tǒng)的側(cè)力矩離存在不可克服的缺陷。例如，液面測量就是一種距離測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電或脈沖來檢測液面，電極長時間浸泡在水中或其他液體中，極易被腐蝕、點(diǎn)解，失去靈敏性。由于超聲波具有強(qiáng)度大，方向性好等特點(diǎn)，利用超聲波測量距離就可以解決這些問題，因此超聲波測距離技術(shù)在工業(yè)控制、勘探測量、機(jī)器人定位和安全防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波測距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構(gòu)建，但是基于這些傳統(tǒng)電路構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差，調(diào)試?yán)щy，可擴(kuò)展性差，所以基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。通過簡單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機(jī)通過采樣獲取到超聲波的傳播時間

5、，用軟件來計算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測距補(bǔ)償，其測量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。 超聲波測距的原理2.1 超聲波的基本理論超聲波是一門以物理、電子、機(jī)械、以與材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。該技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運(yùn)作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。因此，我過對超聲波的研究特別活躍。超聲技術(shù)是通用超聲波的產(chǎn)生、傳播以與接受的物理過程完成的。超聲波具有聚束、定向與反射、投射等特性。按超聲波振動輻射大小不同大致可以分為：用超聲波使物體或物性變化的功率應(yīng)用，稱之為功率超聲，用超聲波獲取信息，稱為檢測超聲。超聲波使

6、聽覺閾值之外的振動，其頻率圍在1041012Hz，其常的頻率大約在1043106之間。超聲波在超聲場（被超聲波充滿的圍）傳播時，如果超聲波的波長與超聲場相比超聲場很大，超聲波就像處在一種無限的介質(zhì)中，超聲波自由地向外擴(kuò)散；反之，如果超聲波的波長與相鄰介質(zhì)的尺寸相近，則超聲波受到界面限制不能自由的向外擴(kuò)散。于是超聲波在傳播過程中有如下的特性和作用：超聲波的傳播速度 超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三種形式的振蕩波：橫波質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于傳播方向的波；縱波質(zhì)點(diǎn)振動方向與傳播方向一致的波；表面波質(zhì)點(diǎn)振動介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟?。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體液體中和氣體中傳播，表面波隨深度的增加

7、其衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波形式的超聲波。超聲波的頻率越高，越與光波某些特性相似。 超聲波與其他聲波一樣，其傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。 超聲波在氣體和液體中，其傳播速度Cgl=( EQ F(1,) ) EQ F(1,2) 式中 介質(zhì)的密度 B 絕對壓縮系數(shù)可以推導(dǎo)出超聲波在空氣中傳播速度Ca=331.4+0.61T。（T為環(huán)境溫 度）。 超聲波在固體中的傳播速度分兩種情況： （1）縱波在固體介質(zhì)中的傳播速度 其傳播與介質(zhì)的形狀有關(guān)。 Cq=( EQ F(E,) ) EQ F(1,2) (細(xì)棒) Cq= EQ F(E,(1-2) EQ F(1,2) (薄板) Cq=

8、EQ F(E(1-),(1+)(1-2) EQ F(1,2) (無限介質(zhì))式中 E氏模具；泊松系數(shù)； K體積彈性模具； G剪片彈性模。橫波聲速公式為Cq= EQ F(E,2(1+) EQ F(1,2) =（ EQ F(G,) ） EQ F(1,2) (無限介質(zhì))在固體中，介于05之間，因此一般可視為橫波聲速為縱波的一半。超聲波的物理特性 當(dāng)超聲波傳播到兩種特性不同的介質(zhì)的平面上時，一部分被反射；另一部分透射過界面，在相鄰的介質(zhì)部繼續(xù)傳播，這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，如右圖所示：（1）超聲波的反射和折射 當(dāng)超聲波傳播到兩種特 性阻抗不同介質(zhì)的平面分 界面上時，一部分超聲波被反射；另一

9、部分投射過界面 在相鄰介質(zhì)部繼續(xù)傳播，這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射。如果超聲波斜入射到兩個固體介質(zhì)面或兩粘滯彈性介質(zhì)面時，一列斜入射的縱波不僅產(chǎn)生反射縱波和折射縱圖2.1.1 聲波反射 波，而且還產(chǎn)生反射橫波和折射橫波。 （2）超聲波的衰減超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。在平面波的情況下，距離聲源X處的聲壓P和聲強(qiáng)I的衰減規(guī)律如下：P = P0e-AxI = I0e-2Ax 式中：P0，I0式中聲源X=0處的聲壓和聲強(qiáng)； X超聲波與聲波間的距離； A衰減系數(shù)，單位為Np/cm (奈培/厘米)（3）超聲波的干涉 如果在一種介質(zhì)中傳播幾個聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象

10、。若以兩個頻率一樣，振幅1和2不等，波程差為d的兩個波干涉為例，該兩個波合成振幅為1=（12+22+212cos EQ F(2d,) ) EQ F(1,2) ,其中為波長。從上式看出，當(dāng)d=0或d=n（n為整數(shù)）時，合成振幅r達(dá)到最大值；當(dāng)d=n EQ F(,2) （n=1,3,5，）時，合成振幅r為最小值。當(dāng)1=2=時，r=2cos EQ F(d,) ;當(dāng)d= EQ F(,2) 的奇數(shù)倍時，兩波相互抵消合成幅度為0.由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個包括最大最小的揚(yáng)聲器。3 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用 （1）機(jī)械作用 超聲波傳播過程中，會引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的壓縮與伸，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓

11、力的變化將引起機(jī)械效應(yīng)。超聲波引起質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動的頻率的平方成正比的質(zhì)點(diǎn)的加速度卻很大。有時足以達(dá)到破壞介質(zhì)的程度?？栈饔?在流體動力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場的作用下振動，當(dāng)聲壓達(dá)到一定的值時，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動等一系列動力學(xué)過程稱為空化。（3）熱血作用 如果超聲波作用于介質(zhì)時被介質(zhì)所吸收，實(shí)際上也就是有能量吸收，同時，由于超聲波的振動，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。4 超聲波傳感器 超聲波傳感器主要有電致伸縮和磁致伸縮兩類，電致伸縮采用雙壓電瓷晶片制成

12、，具有可逆特性。 壓電瓷片具有如下特性：當(dāng)在其兩端加上大小和方向不斷變化的交流電壓時，就會產(chǎn)生“壓電效應(yīng)”，使壓電瓷也產(chǎn)生也產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小以與方向與外加電壓的大小和方向成正比。也就是說，若在壓電晶片兩邊加以頻率為f0的交流電電壓時，它就會產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動，這種機(jī)械振動推動空氣的弛，當(dāng)f0落在音頻圍時便會發(fā)生聲音。反之，如果由超聲波機(jī)械振動作用于瓷片使其發(fā)生微小的形變時，那么壓電晶片也會產(chǎn)生與振動頻率一樣的微弱的交流信號。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下： 圖2.1.2元件部結(jié)構(gòu) 圖2.1.3超聲波外部結(jié)構(gòu)2.2 超聲波測距系統(tǒng)原理 在超聲探測電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其

13、寬度為發(fā)射超聲的時間間隔，被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。超聲測距大致有以下方法：（1）取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓（其幅值基本固定）與距離成正比，測量電壓即可測得距離；（2）測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔t，故被測距離為s=1/2vt。本測量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速基本不變。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計時，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。超聲波測距的算法設(shè)計：超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15攝氏度時）。X2是聲波返回的時