基于51單片機(jī)的高精度超聲波測距儀

1、目 錄引言 . 11 系統(tǒng)總體框圖設(shè)計 . 12 理論分析與計算 . 12.1 測量原理 . 12.2 分析計算 . 23 電路實(shí)現(xiàn) . 33.1 系統(tǒng)供電部分 . 33.2 超聲波發(fā)射部分 . 43.3 超聲波接收部分 . 43.4 溫度測量部分 . 63.4.1 DS18B20工作原理 . 63.4.2 溫度計算方法 . 73.5 LCD顯示 . 74 程序設(shè)計 . 84.1 流程圖 . 84.2 單片機(jī)產(chǎn)生40KHZ方波 . 94.3 超聲波傳播時間測量 . 105 系統(tǒng)調(diào)試 . 105.1 精度提高方法 . 115.2 誤差分析 . 125.3 測量結(jié)果 . 126 結(jié)論 . 12謝

2、辭 . 13參考文獻(xiàn) . 14附 錄 . 15附錄一 原理圖 . 15 附錄二 PCB . 錯誤！未定義書簽。完成實(shí)物圖引言經(jīng)過一個星期的奮斗，終于把這個超聲波測距儀完成了。這是我的第一個課程設(shè)計，也是我把理論知識運(yùn)用到實(shí)踐中的開端。接下來我將詳細(xì)介紹這個電路的原理和制作的過程。1 系統(tǒng)總體框圖設(shè)計超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比 ,如電磁的或光學(xué)的方法 ,它不受光線、被測對象顏色等影響。測距系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射，接收，數(shù)據(jù)處理，顯示，溫度檢測部分組成（如圖1所示）。圖1 系統(tǒng)總框圖 其中，超聲波傳感器所需的40KHZ脈沖由單片機(jī)產(chǎn)生。通過74HC04放大驅(qū)動功率。2 理論分析

3、與計算2.1 測量原理圖 2 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖1為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。 電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個壓電晶片和一個共振板（如圖2所示）。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓

4、，當(dāng)共振板接收到超聲波本時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，就成為超聲波接收器。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： 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； 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=V*T/2。本測量電路采用第二種方案。超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，但由于其聲速與溫度有關(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，

5、則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ１倦娐凡捎?8B20臨測溫度變化，加上溫度補(bǔ)償。系統(tǒng)中，單片機(jī)同時負(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。2.2 分析計算利用檢測聲波發(fā)出到接收到被測物反射回波的時間來測量距離其原理如圖3所示，對于距離較短和要求不高的場合我們可認(rèn)為空氣中的聲速V為常數(shù)，我們通過測量回波時間T（ T由單片機(jī)計數(shù)器測出）。可以求出測量距離S：2 發(fā)射頭 障礙物接收頭 S=T*V/2但在實(shí)際應(yīng)用中，聲速V與溫度有很大的關(guān)系。關(guān)系如下： V=v01+tt=331.+m/s273.15273.15其中v 0為干燥常溫下聲音傳播的速度。 上式雖然能準(zhǔn)確

6、地算出聲速，但式中有浮點(diǎn)的開方，乘除運(yùn)算，將會耗單片機(jī)太大量的時間和空間，得不償失。實(shí)際上并不要求這么準(zhǔn)確，取簡化的計算式即可達(dá)到理想的精度。簡化計算式如下：V=332+0.607´Temp 其中Temp為環(huán)境的溫度。本系統(tǒng)的聲速計算將取用此式。3 電路實(shí)現(xiàn)3.1 系統(tǒng)供電部分圖4 供電電路供電部分如圖4所示。電源使用2顆3V紐扣電池串聯(lián)成6V，用5.1V穩(wěn)壓管進(jìn)行穩(wěn)壓。查穩(wěn)壓管參數(shù)手冊知道，其穩(wěn)壓范圍為4.8V5.1V，R5為保護(hù)電阻。系統(tǒng)總電流約為20mA，當(dāng)穩(wěn)壓管電壓為5V時，由總電壓：3 U= UZ+UR=UZ+I´R U-U6-5ZR=50WI0.02再由分壓公式

7、和歐姆定律可知： 因此，電源中只要加上一個10歐的保護(hù)電阻，再串聯(lián)一個1K的可變電阻即可將穩(wěn)壓輸出電壓調(diào)節(jié)至5V。3.2 超聲波發(fā)射部分圖5 發(fā)射原理圖 發(fā)射電路使用74HC04 反相器完成, 該電路原理簡單(見圖5) 。電路以單片機(jī)輸出的40KHz方波作為輸入信號，U 1B 和U 1C ,U 1E 和U 1F 并接提高輸出電流; 4, 6 腳和10, 12 腳上的輸出電壓相位相反。這樣,發(fā)射器上可以得到峰峰值為10V 的脈沖，大大提高提高了發(fā)射功率，使測量的距離可以更遠(yuǎn)。3.3 超聲波接收部分圖6 接收原理圖圖6 接收電路接收部分電路（圖6所示）以紅外解碼芯片CX20106A為核心，對接收探

8、頭受到的信號進(jìn)行放大、濾波。其總放大增益80db。4CX20106A是日本索尼公司生產(chǎn)的彩電專用紅外遙控接收器，采用單列8腳直插式，超小型封裝，+5V供電。其內(nèi)部方框圖如圖7所示。圖7 CX20106A內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1腳：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。2腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益0和頻率特性。增大電阻或減小,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C1的改變會影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動，本系統(tǒng)選用參數(shù)為R2=10，C1=3.3F。3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢

9、波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，本系統(tǒng)選用參數(shù)為3.3F。4腳：接地端。5腳：該腳與電源間接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200k時，f040kHz，若取R=220k，則中心頻率f038kHz。6腳： 該腳與地之間接一個積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，推薦阻值為22k，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時則產(chǎn)生下降。8腳：電源正極，4.55V。5

10、3.4 溫度測量部分溫度測量部分由DS18B20(如圖8所示)單線數(shù)字溫度傳感器完成。DS18B20支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為 -55+125，在-10+85范圍內(nèi),精度為±0.5?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。18B20支持 3V5.5V 的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便。3.4.1 DS18B20工作原理DS18B20數(shù)字溫度計提供 9 位(二進(jìn)制)溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。信息經(jīng)過單線接口送入DSl8B20 或從 DSl8B20送出。因此從主機(jī)CP

11、U到DSl8B20 僅需一條線(和地線)。 DSl8B20的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源。因?yàn)槊恳粋€DS18B20在出廠時已經(jīng)給定了唯一的序號，因此任意多個DSl8B20可以存放在同一條單線總線上 。這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件。DSl8B20的測量范圍從-55到+125，增量值為0.5，可在1s內(nèi)(典型值)把溫度變換成數(shù)字。每一個 DS18B20 包括一個唯一的 64 位長的序號，該序號值存放在DSl820內(nèi)部的ROM中。開始8 位是產(chǎn)品類型編碼(DSl8B20 編碼均為 10H)。接著的 48位是每個器件唯一的序號。最后 8 位是前面 56 位的CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))

12、碼。DSl820 中還有用于貯存測得的溫度值的兩個 8 位存貯器 RAM（如表1所示），編號為0 號和1號 。1 號存貯器存放溫度值的符號。如果溫度為負(fù)，則 1 號存貯器 8 位全為1，否則全為 0。 0 號存貯器用于存放溫度值的補(bǔ)碼，LSB(最低位)的“1”表示0.5。將存貯器中的二進(jìn)制數(shù)求補(bǔ)再轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)并除以 2 就得到被測溫度值。圖8 18B20引腳圖63.4.2 溫度計算方法1、DS18B20用9位存貯溫度值，最高位為符號位，如表1所示。負(fù)溫度時S=1,正溫度時S=0。如：00AAH為+85，0032H為25，F(xiàn)F92H為-55 2、DS18B20用 12 位存貯溫值度，最高位為符

13、號位,下圖為 18b20 的溫度存儲方式, 0550H為+85，0191H為 25.0625,FC90H為-55 負(fù)溫度S=1,正溫度S=0。如：3.5 LCD顯示系統(tǒng)結(jié)果顯示由Nokia5110液晶完成。 5110是一塊低48X84的圖形液晶，內(nèi)部由PCD8544驅(qū)動控制（如圖9）。接到控制器上的引腳只有5個。功耗非常小。圖9 5110內(nèi)部方塊圖接到單片機(jī)上的引腳是SDIN,SCLK,D/C,SCE。各引腳功能如下： SDIN:數(shù)據(jù)輸入 SCLK:時鐘輸入 D/C:數(shù)據(jù)/指令選擇 SCE:片選74 程序設(shè)計4.1 流程圖系統(tǒng)程序的流程圖如圖10所示。程序使用模塊化設(shè)計。并可以對測量離的遠(yuǎn)近自

14、動調(diào)節(jié)測量模式。因?yàn)槌暡y量時會受到周圍其他障礙物反射回來的回波干擾，因而測量時必須要設(shè)置一定的延遲，這段時間通常稱為死區(qū)時間。死區(qū)時間小，有利于近距離的測量，而大的死區(qū)時間則有利于遠(yuǎn)距離的測量。本系統(tǒng)把4.550cm視為近距離測量，大于50cm視為遠(yuǎn)距離測量。近距離測量時，LCD上會顯示“N”;遠(yuǎn)距離測量時則顯示“F”，以作區(qū)別。8 圖10 程序流程圖4.2 單片機(jī)產(chǎn)生40KHZ方波超聲波發(fā)射模塊中需要單片機(jī)產(chǎn)生大概40KHz的方波。單片機(jī)產(chǎn)生方波還是比較簡單的，大體上可分為兩種方式：用定時器置初值產(chǎn)生;用延時的方式循環(huán)產(chǎn)生。前者為硬件方式，后者為軟件方式。在本系統(tǒng)中，使用軟件方試比較靈活

15、，而且容易調(diào)整方波的頻率和個數(shù)。程序如下：for (LOOP = 0;LOOP < 4; ) P3 = P3 0x80;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); P3_7 = 1;程序中，_nop_()為空指令，每執(zhí)行一次需要一個機(jī)器周期。晶振為12MHz時剛好 LOOP+;1us。P3_7腳用作脈沖輸出。P3_7腳循環(huán)取反四次，產(chǎn)生2個周期大概為40KHz的方波。在Proteus中觀察仿真波形（如圖11所示）。在圖中可看到，波形周期為25.75us,為38.8KHz。

16、圖11 超聲波發(fā)射脈沖94.3 超聲波傳播時間測量CX20106A沒有接收到超聲波時，輸出腳一直保持高電平狀態(tài)。當(dāng)連續(xù)接收到反射回來的超聲波時會產(chǎn)生周期性低電平脈沖（如圖12所示）。因而可以用單片機(jī)外部中斷來檢測此低電平。而用計數(shù)器計數(shù)發(fā)送和中斷產(chǎn)生的時間即可測出超聲波傳播的距離。圖12 CX20106A輸出端電平5 系統(tǒng)調(diào)試超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用15的超聲波換能器TCT40-10F1（T發(fā)射）和TCT40-10S1（R接收），中心頻率為40kHz，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距38cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則

17、可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.045m3.5m，測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測量要求。105.1 精度提高方法1. 溫度校正聲速。本系統(tǒng)采用18B20溫度傳感器通過換算對聲速進(jìn)行了校正，在一定程度上大大提高了測

18、量的準(zhǔn)備性。2. 采用曲線擬合的方法處理數(shù)據(jù)。由擬合曲線作為距離換算公式。擬合前必須要先測量10組以上的數(shù)據(jù)，包括測量距離和實(shí)際距離(如表2所示)。表2 曲線擬合數(shù)據(jù)采集(單位：mm)測量完成之后可用EXCEL作曲線擬合。以測量距離為X軸，實(shí)際距離為Y軸，用折線方式作出圖。之后選擇線性曲線擬合（如圖13所示）。由此可得出測量距離與實(shí)際距離關(guān)系公式 y=0.9648x-5.7716。可以用此式作為最終的距離換算公式。（注：限于篇幅，下圖只畫出50cm230cm的擬合方法）圖13 曲線擬合示例115.2 誤差分析測量誤差的產(chǎn)生的原因是多方面的，大體上有幾點(diǎn)：其一，單片機(jī)晶振不可能做得100%精確，因而程序執(zhí)行時間會有小小不同。但是，這個對系統(tǒng)距離的影響非常非常小，幾乎可以忽略;其二，溫度對聲速的影響非常明顯，雖然本系統(tǒng)使用了18B20對聲速進(jìn)行較正。但是限于18B20溫度測量精度的影響，對測量的誤差還是比較大的；其三，溫度與距離建立的數(shù)學(xué)模型也不能做到100%準(zhǔn)確，而且本系統(tǒng)采用的是簡化后的數(shù)字模型，對測量誤差影響也比較明顯；其四，測量較正時人為的讀