結合溫度補償的超聲波測距系統設計

摘要：本設計實現了一種以AT89C2051單片機為核心的超聲波測距系統，它具有低成本，高精度，微型化數字顯示的特點。為提高測量精度，在測量時使用了DS18B20溫度傳感器對系統進行有效的溫度補償。經實驗證明，本系統電路設計合理、工作穩定、檢測速度快、測量簡單、易于做到實時控制。
關鍵詞：超聲波；換能器；測距；單片機；溫度傳感器

0 引言
超聲波是一種在彈性介質中的機械震蕩，它是由與介質相接觸的震蕩源所引起的，其頻率在20kHz以上。由于超聲波的速度相對于光速要小得多，其傳播時間就比較容易檢測，并且易于定向發射，方向性好，強度好控制，因而利用超聲波測距在很多距離探測應用中有很重要的用途，包括無損檢測、過程測量、機器人測量和定位，以及流體液面高度測量等。利用單片機控制超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現，并且測量精度高。

1 系統設計
超聲波測距的最遠距離和分辨能力，不僅需要良好的換能器，也需要合理的驅動電路及回波探測電路。對發射而言，為了使電能到機械能的轉換效益最大，換能器必須工作在它的共振頻率處。對接收電路而言，為了使機械能到電能的轉換效率最大，最佳工作點必須取在反共振頻率處，在傳感器系統中，發射部分的共振頻率要與接收部分的反共振頻率相匹配。同時，溫度對聲速有著較大的影響，溫度補償無疑是減少誤差的很好方法。本設計選用T40-16T／R超聲波傳感器，設計了一種以AT89C2051單片機為核心的低成本、高精度、微型化數字顯示超聲波測距儀。為了進一步提高系統測量精度和系統穩定性，在硬件上增加了溫度傳感器測溫電路，采取聲速預置和媒質溫度測量相結合的辦法對聲速進行修正，降低了溫度變化對測距精度的影響。有力提高了超聲波測距系統的測量精度。
設計系統由單片機主控模塊、顯示模塊、超聲波發射模塊、接收模塊、溫度測量補償模塊等五個模塊組成，組成框圖如圖1所示。

超聲波發射電路由單片機輸出端直接驅動超聲波發送，超聲波接收電路輸出端與單片機相連接，單片機的輸出端與顯示電路輸入端相連接。單片機在TO時刻發射方波，同時啟動定時器開始計時，當收到回波后，產生一負跳變到單片機中斷口，單片機響應中斷程序，定時器停止計數。計算時間差即可得到超聲波在媒介中傳播的時間t，由此便可計算出距離。
2．1 超聲波測距單片機控制系統
單片機AT89C2051采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機P3．5端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，P3．6端口監測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的3位共陽LED數碼管，段碼輸出端口為單片機的P1口，位碼輸出端口分別為單片機的P3．2、P3．1、P3．0口，數碼管位驅運用PNP三極管S9012三極管驅動。而溫度測量采用簡單的DS18B20溫度傳感器，測量結果送入P3．4口，利用公式算出聲速。