超声波测距仪设计 - 单片机典型案例开发（一）

二、基于AT89C52的超声波测距仪的设计方案

　　摘要：基于提高测量精度的目的，设计了具有温度补偿的超声波测距系统。该系统采用DS18B20温度传感器对现场温度进行检测，并通过软件计算实现温度补偿。实验结果表明：此系统具有测量精度高的优点。

　　测距技术在物位检测、医疗探伤、汽车防撞等民用、工业领域应用广泛，由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，发射强度好控制，且不受电磁干扰影响，因而利用超声波测距是一种有效的非接触式测距方法。但超声波在不同环境温度下传播速度不同，如忽略温度影响，将影响最终测量精度。本文介绍的超声波测距仪采用渡越时间检测法，使用了DS1 8B20温度传感器对现场温度进行检测，并通过软件计算实现波速的温度补偿，消除了温度对测量结果的影响，使测量误差降低。

　　1 系统工作原理

　　超声波测距原理如图1所示。

　　

　　图1 超声波测距原理

　　

　　式中c--超声波波速：t--从发射出超声波到接收到回波所用时间。

　　限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。

　　由于超声波属于声波范围，其波速c与温度有关，经过测量得出超声波的波速与温度的关系，如表1所示。

　　表1 声速与温度的关系表

　　

　　将测量的速度数据与温度数据进行一阶拟合得出：

　　c=331.6+0.6107xT （2）

　　式中T--当地温度。

　　在测距时，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定其时的波速c.波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离H，这样能较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。

　　本设计方案中使用渡越时间检测法，测距仪工作原理为：在由单片机发出驱动信号的同时，开启单片机中的计时器，开始计时。发射探头发射出超声波，在由接收探头接收到第一回波的同时停止单片机计时器的计时，由于超声波在空气中的速度已知，根据公式即可求得探头与待测目标之间的距离。而且，可以在较短时间内多次发出超声波测量，完成后计算平均值然后显示。

　　超声波在相同的传播媒体里（大气条件）传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，但其频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。考虑实际工程测量要求，在设计超声波测距仪时，选用频率f=40kHz的超声波，波长为0.85cm.

　　2 系统硬件设计

　　本系统采用AT89C52单片机作为主控制器，使用3位数码管作为系统显示屏，超声波发射驱动需要的40 kHz脉冲由单片机P0.0发出，使用定时器进行计时和控制，超声波接收使用CX20106A作为接收主控芯片，使用DS18B20作为温度传感器进行温度校正。超声波测距器的系统原理图如图2所示。

　　

　　图2 系统设计原理图

　　2.1 超声波的发射电路设计

　　超声波发送模块是由超声波发射探头组成的，单片机的P0.0端口直接发送40 kHz的信号，使用9012三极管做为驱动放大，驱动压电晶片超声波换能器产生超声波，超声波发射电路如图3所示。超声波发射子程序的流程是，发射时首先装填计时器，并且开始计时，当超声波发射完毕时，定时器计时完毕，并且重新装填等待下次发射。

　　

　　图3 超声波发射电路

　　2.2 超声波接收电路设计

　　在接收电路中使用了红外线接收处理芯片CX20106A，因为它处理的是38 kHz的红外信号，而40 kHz的超声波信号和它比较接近，并且CX20106A芯片具有很强的抗干扰能力，这个芯片的外围电路很简单而且通过外围电阻调节它的中心处理频率，通过改变外围电路电容的大小也可以改变接收电路灵敏度和抗干扰能力。

　　经过试验后发现用单片机发40 kHz信号与使用CX20106A的电路搭配更加简单合理，使得时间的计算更为精确。

　　该系统的超声波接收模块是由超声波接收探头和红外线接收处理芯片CX20106A组成。如图4所示。超声波接收子程序的流程是，利用INT0中断检测回波信号，若有回波信号（INT0口低电平）就关闭外部中断，同时停止计时器的计时，将测距成功标志位标记为1（测距成功），同时提取时间值，计算待测距离，保存最终结果后打开外部中断，等待下次测量。

　　

　　图4 超声波接收电路