超聲波測距儀的設(shè)計(jì)

)式中C0=331.4m/s；T為絕對(duì)溫度，單位K。此公式一般能為聲速的換算提供較為準(zhǔn)確的結(jié)果。實(shí)際情況下，溫度每上升或者下降1oC,聲速將增加或者減少0.607m/s，這個(gè)影響對(duì)于較高精度的測量是相當(dāng)嚴(yán)重的。因此提高超聲波測量精度的重中之重就是獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)芈曀佟?提高精度的方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）溫度校正的方法提高測距精度由上述的誤差分析知，如果能夠知道當(dāng)?shù)販囟?，則可根據(jù)公式⑷求出當(dāng)?shù)芈曀?，從而能夠獲得較高的測量精度。而問題的關(guān)鍵在于獲得溫度數(shù)據(jù)的方法。采用熱敏電阻、熱電耦、集成溫度傳感器都可以獲得較為準(zhǔn)確的溫度值。為了便于對(duì)溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集及處理，我們采用DALASS公司生產(chǎn)的DS18B20集成溫度傳感器。DS18B20采用了DALASS公司的1-WIRE總線專利技術(shù)，能夠僅在占用控制器一個(gè)I/O口的情況下工作（芯片可由數(shù)據(jù)線供電），極大的方便了使用者的調(diào)試使用，而且其在－10oC～＋85oC的工作環(huán)境下可以保持±0.5%的使用精度，在這個(gè)空間內(nèi)足以保證為超聲波測距設(shè)備提供足夠的精度范圍。通過DS18B20芯片獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)由1-WIRE總線傳至MCU，由軟件進(jìn)行聲速換算。為了更好的實(shí)現(xiàn)換算過程同時(shí)兼顧設(shè)備的使用成本，我們采用宏晶公司的最新推出的STC12C5410單片機(jī)實(shí)現(xiàn)超聲波測距的各項(xiàng)功能。STC12C5410采用了低成本、低功耗、強(qiáng)抗干擾設(shè)計(jì)，并且在最高支持48MHz的前提下能夠?qū)崿F(xiàn)1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)械周期的運(yùn)行速度。由于能夠使用高頻率的晶振，因此相對(duì)于普通單片機(jī)來說可以有效的減少由計(jì)時(shí)問題帶來的量化誤差，能夠滿足較高精度超聲波測距儀的設(shè)計(jì)要求。（2）標(biāo)桿校正的方法提高測距精度在復(fù)雜環(huán)境下，如果難于獲得環(huán)境溫度，或者不便獲得環(huán)境溫度時(shí)，如果仍舊要求較高的測量精度，我們采用所謂標(biāo)桿校正的方法實(shí)現(xiàn)超聲波測距精度的校正。標(biāo)桿校正的示意圖如圖15所示。圖16標(biāo)桿校正的示意圖超聲波測距裝置首先測量距離已知為h的基平面（標(biāo)桿）聲波往返所用的時(shí)間，而后由測得的時(shí)間和距離h根據(jù)公式⑷求出當(dāng)?shù)芈曀?。通過這樣的方法，我們也能夠順利的求出聲速，省去了使用傳感器測量溫度所帶來的麻煩。因此，只用為測距設(shè)備設(shè)定“標(biāo)定”和“測量”兩種狀態(tài)，即能夠?qū)崿F(xiàn)溫度校正所能實(shí)現(xiàn)的高精度測距功能。3、測量結(jié)果按照設(shè)計(jì)的硬件電路和軟件，做成成品，調(diào)試好后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)如表1和表2所示。其中表1為左邊測距數(shù)據(jù)（綠燈亮?xí)r），表2為右邊測距數(shù)據(jù)（紅燈亮?xí)r）。測量單位：cm。表1左邊測距數(shù)據(jù)實(shí)際距離12131415161718192025測量距離13141516171819212326誤差0111111331實(shí)際距離303540455061708090100測量距離313741465061708090100誤差1211000000實(shí)際距離130150200250270280300310315320測量距離130149199247269277298308312318誤差0113132232實(shí)際距離323327333338343348352359362367測量距離325330335340345350355360365370誤差2322223133表2右邊測距數(shù)據(jù)實(shí)際距離13141516171819202530測量距離13151617171819203631誤差0111000011實(shí)際距離3540455060708090100130測量距離3641465160697991100131誤差1111011101實(shí)際距離150200250270280300310315320325測量距離150199249269279299309314319325誤差0111111110實(shí)際距離330335340345350355360365370測量距離330335339344349355359364369誤差001110111五、創(chuàng)新發(fā)揮=1\*GB3①能實(shí)現(xiàn)雙向測距。我們所設(shè)計(jì)的電路能實(shí)現(xiàn)雙向測距，分別由兩個(gè)發(fā)光二極管來去分測距方向，并且自動(dòng)選擇測量距離短的一面。=2\*GB3②可以校準(zhǔn)。當(dāng)測距不是很準(zhǔn)確的時(shí)候可以用定位器來進(jìn)行校準(zhǔn)，反應(yīng)速度在0.1ms內(nèi)，測量精確度在1cm內(nèi)。本次超聲波測距儀器設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)雙向測距而且單項(xiàng)測距范圍13cm-300cm，所以雙向測距的總長度達(dá)到了600cm。而且在測距1m內(nèi)，測量誤差小于3cm精度較高，最小分辨率也達(dá)到了1cm，測試盲區(qū)13cm，而且精度高因?yàn)槁暡ǖ乃俣扰c溫度有關(guān)，測量值在非室溫下準(zhǔn)確度會(huì)下降，所以測距儀受溫度的影響，每升高1度距離加快4m/s。在本應(yīng)用中引入了一個(gè)電位器來進(jìn)行測距距離補(bǔ)償，可以使系統(tǒng)在很大的溫度范圍內(nèi)精確測量。如果需要測得的距離數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在FLASH存儲(chǔ)器中。加上額外增益和使用多態(tài)LCD來讀出盡可能多的位數(shù)也可以增大測量范圍。

六、設(shè)計(jì)結(jié)論對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行測量、校準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)其測量范圍15cm~300cm內(nèi)的平面物體做了多次測量發(fā)現(xiàn)，其最大誤差為3cm，顯示最小分辨率為0.01m，測量盲區(qū)小于0.15米該測距儀具有準(zhǔn)雙向測距功能，穩(wěn)定性比較高、靈敏度比較高，盲區(qū)范圍小，分辨率小于0.01m,被測目標(biāo)不需要垂直于超聲波測距儀角度保持在正負(fù)30度，被測目標(biāo)表面不需要平坦；但是在檢測過程中會(huì)有一些不便