超聲波測距儀的設計

)式中C0=331.4m/s；T為絕對溫度，單位K。此公式一般能為聲速的換算提供較為準確的結(jié)果。實際情況下，溫度每上升或者下降1oC,聲速將增加或者減少0.607m/s，這個影響對于較高精度的測量是相當嚴重的。因此提高超聲波測量精度的重中之重就是獲得準確的當?shù)芈曀佟?提高精度的方案及系統(tǒng)設計（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?shù)販囟?，則可根據(jù)公式⑷求出當?shù)芈曀伲瑥亩軌颢@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確的溫度值。為了便于對溫度信號的數(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，在這個空間內(nèi)足以保證為超聲波測距設備提供足夠的精度范圍。通過DS18B20芯片獲得的數(shù)據(jù)信號經(jīng)由1-WIRE總線傳至MCU，由軟件進行聲速換算。為了更好的實現(xiàn)換算過程同時兼顧設備的使用成本，我們采用宏晶公司的最新推出的STC12C5410單片機實現(xiàn)超聲波測距的各項功能。STC12C5410采用了低成本、低功耗、強抗干擾設計，并且在最高支持48MHz的前提下能夠?qū)崿F(xiàn)1個時鐘/機械周期的運行速度。由于能夠使用高頻率的晶振，因此相對于普通單片機來說可以有效的減少由計時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計要求。（2）標桿校正的方法提高測距精度在復雜環(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，如果仍舊要求較高的測量精度，我們采用所謂標桿校正的方法實現(xiàn)超聲波測距精度的校正。標桿校正的示意圖如圖15所示。圖16標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（標桿）聲波往返所用的時間，而后由測得的時間和距離h根據(jù)公式⑷求出當?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，只用為測距設備設定“標定”和“測量”兩種狀態(tài)，即能夠?qū)崿F(xiàn)溫度校正所能實現(xiàn)的高精度測距功能。3、測量結(jié)果按照設計的硬件電路和軟件，做成成品，調(diào)試好后，對系統(tǒng)進行測試，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)（綠燈亮時），表2為右邊測距數(shù)據(jù)（紅燈亮時）。測量單位：cm。表1左邊測距數(shù)據(jù)實際距離12131415161718192025測量距離13141516171819212326誤差0111111331實際距離303540455061708090100測量距離313741465061708090100誤差1211000000實際距離130150200250270280300310315320測量距離130149199247269277298308312318誤差0113132232實際距離323327333338343348352359362367測量距離325330335340345350355360365370誤差2322223133表2右邊測距數(shù)據(jù)實際距離13141516171819202530測量距離13151617171819203631誤差0111000011實際距離3540455060708090100130測量距離3641465160697991100131誤差1111011101實際距離150200250270280300310315320325測量距離150199249269279299309314319325誤差0111111110實際距離330335340345350355360365370測量距離330335339344349355359364369誤差001110111五、創(chuàng)新發(fā)揮=1\*GB3①能實現(xiàn)雙向測距。我們所設計的電路能實現(xiàn)雙向測距，分別由兩個發(fā)光二極管來去分測距方向，并且自動選擇測量距離短的一面。=2\*GB3②可以校準。當測距不是很準確的時候可以用定位器來進行校準，反應速度在0.1ms內(nèi)，測量精確度在1cm內(nèi)。本次超聲波測距儀器設計，能實現(xiàn)雙向測距而且單項測距范圍13cm-300cm，所以雙向測距的總長度達到了600cm。而且在測距1m內(nèi)，測量誤差小于3cm精度較高，最小分辨率也達到了1cm，測試盲區(qū)13cm，而且精度高因為聲波的速度與溫度有關(guān)，測量值在非室溫下準確度會下降，所以測距儀受溫度的影響，每升高1度距離加快4m/s。在本應用中引入了一個電位器來進行測距距離補償，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)可以存儲在FLASH存儲器中。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、設計結(jié)論對所設計的電路進行測量、校準發(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,被測目標不需要垂直于超聲波測距儀角度保持在正負30度，被測目標表面不需要平坦；但是在檢測過程中會有一些不便