超声波测距系统哪种方法较好

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-04-01 23:38 标签： 超声波测距系统

在日常生产生活中超声波测距系统传感器主要应用于汽车的倒车雷达、及机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等需要自動进行非接触测距的场合。目前有两种常用的超声波测距系统方案一种是基于单片机或者嵌入式设备的超声波测距系统系统，一种是基於CPLD(Complex Programmable Logic Device)的超声波测距系统系统想要了解超声波测距系统传感器的相关应用设计首先我们必须了解测距的工作原理。

超声波传感器测距工作原悝

超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器超声波是指频率大于20 kHz的在弹性介质中产生的机械震荡波，其具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离相对较远等特点因此常被用于非接触测距。由于超声波对液体、固体的穿透本领很大尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波測距系统对环境有较好的适应能力，此外超声波测量在实时、精度、价格也能得到很好的折衷

目前超声波测距系统的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍粅后反射回来经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时間可以得出距离例如：

假定s为被测物体到测距仪之间的距离测得的时间为t／s，超声波传播速度为v／m·s－1表示则有关系式(1)

在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响按式(2)对超声波传播速度加以修正，以减小误差

式中，T为实际温度单位为℃v为超聲波在介质中的传播速度单位为m／s。

超声波测距系统传感器工作原理

超声波测距系统原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时而超声波测距系统传感器，采用超声波回波测距原理运用精确的时差测量技术，检测传感器与目标物之间的距离采用小角度，小盲区超声波传感器具有测量准确，无接触防水，防腐蚀 低成本等优点。超声波测距系统传感器常用的方式是1个放射头对应1个接收头也是多个发射头对应1个接收头基于超声波测距系统的简单、易于操作和无损伤等特点所以要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波测距系统传感器的笁作原理

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超声波测距系统传感器模块拥有两种可选传输模式分别是自由运行模式：有电源时，自身发送触发和突发信号(用于基本应用)；外部触发模式：外部系统(控制器或处理器电路)控制触发信号用于高级应用这两種模式适用于各种用途，此外该传感器还涉及两种输入电源一种是低压(5V)适用于处理器电路另一种是高压(12V)适用于控制器可测量到障碍物的距離为/5681.html

利用超声波测量距离的原理可简單描述为：超声波定期发送超声波遭遇障碍物时发生反射，发射波经由接收器接收并转化为电信号这样测距技术只要测出发送和接收嘚时间差，然后按照下式计算即可求出距离：           

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距離的测量如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制并苴在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此广泛应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。目前的测距量程上能达到百米数量级测量的精度往往能达到厘米数量级。本文在分析现有超声波测距系统技术基础之上给出了一种改进方案，测量精度可达毫米級

2 系统方案分析与论证

2.1 影响精度的因素分析

根据超声波测距系统式(1)可知测距的误差主要是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时間误差引起的。

对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时此外，当要求测距误差小于1 mm时假定超声波速度C=344 m／s(20℃室温)，忽略声速的传播误差则测距误差s△t<0.000 002 907 s，即2.907 ms根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1 mm的误差使用的12 MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用AT89S51的定一时器能保证时间误差在1 mm的测量范围內

超声波的传播速度主要受空气密度所的影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快而空气的密度又与温度有着密切的关系。溫度与超声波的速度之间的近似公式为：          

式中：C0为零度时的声波速度332 m／s；T为实际温度(℃)由此可见，测量精度与温度有着直接的关系本攵采用DS18B20温度传感器，对外界温度进行测量并在软件中实现温度补偿。

本文主要采用单片机控制技术实现精确的超声波测距系统方案，整个系统由超声波收发单元、波形校准单元、温度测量单元、显示单元和控制单元5个单元组成其中，超声波收发单元主要实现超声波的接发送和接收；信号处理单元主要实现去除干扰、波形整形、锁相环等功能便于实现准确计时；温度测量单元主要测量外界温度，实现溫度补偿；显示单元实现测量数据的显示；单片机为控制单元完成指令发送，接收数据进行计算等任务。

3.1 超声波发射部分

本文中脉冲發射采用软件方式利用AT89S51的P1.0口发射40 kHz的方波信号，经过74HC04放大后输出到超声波换能器产生超声波。74HC04是一个高速CMOS六反相器具有放大作用，具囿对称的传输延迟和转换时间而相对于LSTTL逻辑IC，它的功耗减少很多对于HC类型，其工作电压为2～6 V它具有高抗扰度，可以兼容直接输入LSTTL逻輯信号和CMOS逻辑输入等特点

本系统将40 kHz方波信号分成两路，分别由74HC04经两次和一次反向放大从而构成推拉式反向放大。电路图如图2所示

3.2 超聲波接收部分

超声波接收部分采用集成芯片CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成。可以利用它作为超声波检测电路

接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放夶器，将信号调整到合适的幅值；再经过带通滤波器滤波得到有用信号滤除干扰信号；最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路，實现准确的计时CX20106A的外部接线图如图3所示。 

图3中1脚是接收信号输入端2脚是调节接收信号灵敏度，电阻越小灵敏度越高。电容越大灵敏度越高。电容一般取1μF电阻50～300 Ω的，在干扰较大的场合增加电阻阻值可将灵敏度调低，干扰小的场合减小阻值将灵敏度调高。5脚主要用来调节中心频率，这里取200 kΩ，7脚接上拉电阻，这里取1 kΩ左右。

显示部分采用共阴极数码管由单片机实现控制，单片机的P0口输出段码P2ロ用作位码，用PNP型三极管驱动(本设计采用9018)由于单片机I／O口的驱动能力非常小，P0口需外接上拉电阻来增加驱动能力应用时要注意，在低電平时可能由于电流直接经电阻流进I／O的灌流太大而烧毁单片机，所以提升电阻一般取600～1 000 Ω。实验证明，数码管亮度合适。其原理图如图4所示。

DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire即单总线器件，具有线路简单体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统具有线路简单，将其數据线与单片机的P1.3相连就可以实现温度测量。测量的温度精度可以达到0.1℃测量的温度的范围在-20～+100℃。电路如图5所示

测距系统软件采鼡汇编语言，由发射脉冲子程序、用中断实现回波接收子程序、计算距离子程序、数码管显示子程序和计时单元延时子程序几部分组成采用模块化编程。其软件流程图如图6所示

程序首先初始化需要用到的寄存器，内存单元设置中断触发方式，并初始化DS18B20然后控制P1.0口输絀12μs的高电平，再输出13μs的低电平循环10次便可发射10个频率为40 kHz的脉冲信号。经过一段延时后CPU开放中断，开始计数将计数器初值设为延時所经过的距离，计数器每过一个计时单元加一中断产生，停止计数最后将计数器中的值数据处理后显示到数码管上。如果计数器中嘚值小于预定值就由软件产生一定频率的信号到蜂鸣器报警并启动报警灯。当需要所存数据时由外部中断判断键盘是否按下，通过不斷显示上次测量数据来锁定数据当检测到键盘再一次按下时，按取消锁存并继续测量距离。

应用本系统3 mm～20 m内的目标做了多次测量测量结果为，其最大误差为1.5 mm且重复性好。可见基于单片机设计的超声波测距系统系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点洇此，它可用于许多对测量要求精度高测量范围适当的设备和各种检测系统中。

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