基于AT89C52單片機的超聲波測距儀的設計

摘要：基于提高測量精度的目的，設計了具有溫度補償的超聲波測距系統。該系統采用DS18B20溫度傳感器對現場溫度進行檢測，并通過軟件計算實現溫度補償。實驗結果表明：此系統具有測量精度高的優點。
關鍵詞：單片機；溫度傳感器；超聲波；測距

測距技術在物位檢測、醫療探傷、汽車防撞等民用、工業領域應用廣泛，由于超聲波的速度相對于光速要小的多，其傳播時間就比較容易檢測，并且易于定向發射，方向性好，發射強度好控制，且不受電磁干擾影響，因而利用超聲波測距是一種有效的非接觸式測距方法。但超聲波在不同環境溫度下傳播速度不同，如忽略溫度影響，將影響最終測量精度。本文介紹的超聲波測距儀采用渡越時間檢測法，使用了DS1 8B20溫度傳感器對現場溫度進行檢測，并通過軟件計算實現波速的溫度補償，消除了溫度對測量結果的影響，使測量誤差降低。

1 系統工作原理
超聲波測距原理如圖1所示。

式中c——超聲波波速：t——從發射出超聲波到接收到回波所用時間。
限制該系統的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發射／接收的設計方法。
由于超聲波屬于聲波范圍，其波速c與溫度有關，經過測量得出超聲波的波速與溫度的關系，如表1所示。
將測量的速度數據與溫度數據進行一階擬合得出：
c=331.6+0.6107xT (2)
式中T——當地溫度。
在測距時，可通過溫度傳感器自動探測環境溫度、確定其時的波速c。波速確定后，只要測得超聲波往返的時間t，即可求得距離H，這樣能較精確地得出該環境下超聲波經過的路程，提高了測量精確度。
本設計方案中使用渡越時間檢測法，測距儀工作原理為：在由單片機發出驅動信號的同時，開啟單片機中的計時器，開始計時。發射探頭發射出超聲波，在由接收探頭接收到第一回波的同時停止單片機計時器的計時，由于超聲波在空氣中的速度已知，根據公式即可求得探頭與待測目標之間的距離。而且，可以在較短時間內多次發出超聲波測量，完成后計算平均值然后顯示。
超聲波在相同的傳播媒體里(大氣條件)傳播速度相同，即在相當大的頻率范圍內聲速不隨頻率變化，但其頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短。考慮實際工程測量要求，在設計超聲波測距儀時，選用頻率f=40kHz的超聲波，波長為0．85cm。

2 系統硬件設計
本系統采用AT89C52單片機作為主控制器，使用3位數碼管作為系統顯示屏，超聲波發射驅動需要的40 kHz脈沖由單片機P0．0發出，使用定時器進行計時和控制，超聲波接收使用CX20106A作為接收主控芯片，使用DS18B20作為溫度傳感器進行溫度校正。超聲波測距器的系統原理圖如圖2所示。