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超聲波測(cè)距范文第1篇

Abstract： By the advantages of high directivity， slow energy consumption and long propagation distance in the medium， the ultrasonic is widely used in the distance measurement. Compared with other detection methods， as a contactless detection method， the ultrasonic is not affected and controlled by the light and the color of the measured object in the detection process. This paper introduces the principle and method of the velocity and distance measurement by the ultrasonic. Taking STC89C52RC as the primary controller， the ultrasonic drive signal is launched by the timer and 12864 LCD display and ISD4004 voice broadcast of the measuring results are realized by the dynamic scanning method.

關(guān)鍵詞： 超聲波；測(cè)距測(cè)速；單片機(jī)；液晶顯示；語(yǔ)音播報(bào)

Key words： ultrasonic；distance and velocity measurement；singlechip；LCD；voice broadcast

中圖分類號(hào)：TH761 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）32-0065-02

0 引言

對(duì)于蝙蝠等一些無(wú)目視能力的生物來(lái)說(shuō)，借助超聲波定位技術(shù)進(jìn)行防御、捕捉獵物等維持自身的生存，也就是生物體發(fā)射超聲波（超過(guò)20kHz的機(jī)械波），一般不能被人們所聽(tīng)到，這種超聲波是借助空氣等媒質(zhì)進(jìn)行傳播，借助被捕捉的獵物或障礙物反射回來(lái)的回波的強(qiáng)弱和時(shí)間間隔的長(zhǎng)短判斷獵物或障礙物位置的方法，根據(jù)這一原理，人們提出了超聲波測(cè)距。

近年來(lái)，為了滿足導(dǎo)航系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)測(cè)距等方面的需要，自動(dòng)測(cè)距的重要性逐漸顯示。超聲波技術(shù)已成為一門(mén)以物理、電子、機(jī)械及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。

1 超聲波測(cè)距測(cè)速的原理

超聲波測(cè)距的方法有多種，主要包括：相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法等。其中，相位檢測(cè)法的檢測(cè)精度比較高，但是檢測(cè)范圍有限；聲波幅值檢測(cè)法在檢測(cè)過(guò)程中容易受到反射波的影響和制約，檢測(cè)精度不高。

本設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)采用超聲波往返時(shí)間檢測(cè)法。工作時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)出一連串的超聲波脈沖，超聲波發(fā)射探頭發(fā)出最后一個(gè)脈沖后，給單片機(jī)提供一個(gè)短脈沖，單片機(jī)開(kāi)啟計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波接收探頭則在接收到被測(cè)物體反射回來(lái)的反射波后，也向單片機(jī)提供一個(gè)短脈沖，單片機(jī)關(guān)閉計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器所計(jì)時(shí)間即超聲波往返于探頭與被測(cè)物體所用的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間間隔乘以超聲波在此環(huán)境溫度下的聲速，即為超聲波在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的行程。當(dāng)超聲波發(fā)射探頭和接收探頭之間的距離相對(duì)于兩探頭到被測(cè)物體之間的距離很小時(shí)，可以認(rèn)為行程的一半即為所要測(cè)的距離值；當(dāng)超聲波發(fā)射探頭和接收探頭之間的距離相對(duì)于兩探頭到被測(cè)物體之間的距離不可忽略時(shí)，前面的假設(shè)則不能成立，所以超聲波檢測(cè)有一個(gè)允許的最小測(cè)量范圍。其次，由于超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波并不是理想的絕對(duì)沿直線傳播，其中，一部分超聲波沒(méi)有經(jīng)過(guò)被測(cè)物體反射就直接繞射到接收探頭上，這部分信號(hào)是無(wú)用的，進(jìn)而在一定程度上產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用延時(shí)技術(shù)解決這一問(wèn)題。發(fā)射探頭發(fā)射超聲波后，通過(guò)增加延時(shí)，借助軟件關(guān)閉所有中斷，對(duì)此期間接收到的任何信號(hào)接收電路不予理睬，之后再等待反射信號(hào)的到來(lái)。所以，這又使得系統(tǒng)不可避免地產(chǎn)生了測(cè)量盲區(qū)。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，本系統(tǒng)的盲區(qū)為2cm，即被測(cè)物體在2cm以內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)不能檢測(cè)。所以本次測(cè)量的最小距離為2cm。

由于相鄰的兩次發(fā)射超聲波脈沖的時(shí)間間隔為一定值，即發(fā)射超聲波的頻率一定。連續(xù)發(fā)射兩次超聲波脈沖測(cè)得的兩個(gè)距離值求差除以這個(gè)時(shí)間間隔即得物體的平均速度。而超聲波的發(fā)射頻率很高，故可認(rèn)為此平均速度為物體的瞬時(shí)速度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)速的功能。

2 系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制核心部分，采用宏晶科技推出的STC89C52RC芯片。發(fā)射電路采用74LS04六反向器，通過(guò)它對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生的方波信號(hào)進(jìn)行放大。接收處理電路采用的是CX20106A電路、LM358電路和LM567鎖相電路，通過(guò)接收電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行增益放大和鎖相整形，最終再輸出穩(wěn)定準(zhǔn)確的脈沖給單片機(jī)。顯示部分采用了型號(hào)為FG12864E的單色128×64點(diǎn)陣液晶顯示模塊，利用了該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令；采用動(dòng)態(tài)掃描的方式，通過(guò)單片機(jī)譯碼，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的距離或速度值。語(yǔ)音播報(bào)部分采用美國(guó)ISD公司推出的ISD4004語(yǔ)音芯片，與液晶顯示配合實(shí)時(shí)的對(duì)測(cè)量的距離或速度值進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。

超聲波測(cè)距測(cè)速儀原理框圖如圖1所示。

完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)之后，接下來(lái)就是系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，它所需要完成的主要是針對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。由于C語(yǔ)言通用性強(qiáng)，其程序本身不依賴于機(jī)器硬件系統(tǒng)，故本軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的40kHz方波信號(hào)的產(chǎn)生、時(shí)間差的讀取、距離速度值的計(jì)算以及顯示輸出的譯碼和語(yǔ)音播報(bào)的實(shí)現(xiàn)都由單片機(jī)編程完成。其中，對(duì)LCD進(jìn)行編程，必須先了解LCD的接口協(xié)議。液晶顯示子程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處在于軟件中時(shí)序的安排要與液晶顯示模塊內(nèi)部的時(shí)序一致，否則將不會(huì)顯示成功。語(yǔ)音播報(bào)模塊是結(jié)合液晶顯示模塊一起使用的，要注意的是該模塊中的軟件時(shí)序的安排要與液晶顯示模塊內(nèi)部的時(shí)序一致，否則將出現(xiàn)聲音提示和液晶顯示不一致的現(xiàn)象。

3 誤差分析

超聲波測(cè)距在實(shí)際應(yīng)用也有很多局限性，這都影響了超聲波測(cè)距的精度。一是超聲波在空氣中衰減極大，由于測(cè)量距離的不同，造成回波信號(hào)的起伏，使回波到達(dá)時(shí)產(chǎn)生較大的誤差；二是超聲波脈沖回波在接收過(guò)程中被極大地展寬，影響了測(cè)距的分辨率，尤其是對(duì)近距離的測(cè)量造成較大的影響。其他還有一些因素，諸如環(huán)境溫度、風(fēng)速等也會(huì)對(duì)測(cè)量造成一定的影響，這些因素都限制了超聲波測(cè)距在一些對(duì)測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合的應(yīng)用。

4 結(jié)論與展望

本系統(tǒng)有效的測(cè)距范圍是2cm～3.0m，測(cè)距精度±1cm，較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能。是微電子產(chǎn)品應(yīng)用的一例，符合測(cè)量工具小型化、集成化、智能化的發(fā)展要求，希望本課題的研究能夠?qū)鹘y(tǒng)測(cè)量工具的改進(jìn)和創(chuàng)新有一定的作用。

由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的不足和所掌握知識(shí)的限制，系統(tǒng)的某些功能設(shè)計(jì)構(gòu)想還沒(méi)有完整的表達(dá)出來(lái)，硬件電路、軟件部分都還存在著不足和需要改進(jìn)的地方。

①需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)硬件電路的整體性能以及抗干擾的能力。②測(cè)量范圍與發(fā)射功率直接相關(guān)，由于超聲波探頭功率有限，本系統(tǒng)只能在小范圍內(nèi)使用；更換成大功率探頭，測(cè)量范圍將擴(kuò)大。③要滿足更高的精度要求，還必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)；在某些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用中，還要考慮超聲波的入射角、反射角以及超聲波傳播介質(zhì)的密度、表面光滑度等因素。

可以相信，隨著超聲波傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和制作工藝的提高、驅(qū)動(dòng)電源與接收電路設(shè)計(jì)的完善以及測(cè)量方法的更新，超聲波測(cè)距測(cè)速系統(tǒng)的適用范圍還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李麗霞.單片機(jī)在超聲波測(cè)距中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2002（06）：7-9.

[3]王安敏，張凱.基于AT89C52單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2006（06）：44-49.

超聲波測(cè)距范文第2篇

關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距技術(shù)；汽車維修；檢測(cè)

前言

在汽車故障檢測(cè)的過(guò)程中，由于人工檢測(cè)存在著很大的誤差，不利于維修工作的順利開(kāi)展，因此，需要借助于一些檢測(cè)技術(shù)，采用智能檢測(cè)的方法進(jìn)行檢測(cè)，這樣才能夠確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性。在如今的汽車維修行業(yè)中，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于汽車故障檢測(cè)中，超聲波測(cè)距技術(shù)具有檢測(cè)的準(zhǔn)確性高，檢測(cè)時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)。在汽車檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，需要了解超聲波測(cè)距技術(shù)的相關(guān)原理及其影響檢測(cè)準(zhǔn)確性的相關(guān)因素，才能夠利用超聲波測(cè)距技術(shù)做好汽車維修與檢測(cè)工作，下面針對(duì)于超聲波測(cè)距技術(shù)在汽車維修與檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了具體的探討。

1 超聲波測(cè)距技術(shù)原理

超聲波測(cè)距技術(shù)主要是利用壓電晶體的諧振進(jìn)行工作的。主要就是通過(guò)測(cè)得的超聲波的時(shí)間進(jìn)行距離的測(cè)定，并且根據(jù)數(shù)學(xué)公式：速度×?xí)r間=距離。而在汽車維修檢測(cè)中，也是通過(guò)運(yùn)用超聲波測(cè)距技術(shù)的原理進(jìn)行故障的檢測(cè)，進(jìn)而運(yùn)用速度，時(shí)間和距離的關(guān)系分析出汽車故障的位置及其原因[1]。

2 超聲波測(cè)距技術(shù)在汽車維修與檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 在單元電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在汽車維修和檢測(cè)的過(guò)程中，會(huì)經(jīng)常用到控制電路、超聲波測(cè)距電路、顯示電路、語(yǔ)音播報(bào)電路等，這些都屬于單元電路，在本文中提到的超聲波測(cè)距技術(shù)在這些單元電路中都有應(yīng)用。例如，控制電路在設(shè)計(jì)上是通過(guò)一個(gè)系統(tǒng)板來(lái)控制電路發(fā)射出一連串的信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大來(lái)接受反射回來(lái)的信號(hào)，通過(guò)信號(hào)的發(fā)射和反射，可以計(jì)算出相應(yīng)的距離，然后再通過(guò)LCD顯示模塊將其顯示出來(lái)，并進(jìn)行語(yǔ)音模塊將信息播報(bào)出來(lái)[2]。超聲波測(cè)距電路與控制電路有些相似，開(kāi)始也是要通過(guò)特點(diǎn)的傳感器來(lái)發(fā)出信號(hào)，有所不同的是它要被動(dòng)的接受信號(hào)，并不是通過(guò)反射來(lái)接受的，而，是通過(guò)超聲波的發(fā)射到接受的時(shí)間差實(shí)現(xiàn)測(cè)量距離的；顯示電路主要應(yīng)用到LCD液晶顯示器上，是通過(guò)傳感器超聲波發(fā)出到接受的過(guò)程來(lái)測(cè)定車輛與障礙物的距離，并通過(guò)LCD液晶顯示器顯示出來(lái)；語(yǔ)音播報(bào)電路與LCD顯示器一樣都是一種本身具有的表態(tài)形式，將超聲波測(cè)量、檢測(cè)的結(jié)果用語(yǔ)音的形式播報(bào)出來(lái)?？梢酝ㄟ^(guò)這些單元電路來(lái)檢測(cè)車輛的形式動(dòng)態(tài)，另外還有很多設(shè)備中也應(yīng)用到超聲波測(cè)距技術(shù)，這些軟件對(duì)車輛的維修和檢測(cè)工作都起到了重大作用[3]。

2.2 在軟件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

超聲波的發(fā)射和接受程序軟件，在汽車維修和檢測(cè)中經(jīng)常用到，例如，計(jì)時(shí)器的開(kāi)始計(jì)時(shí)和結(jié)束計(jì)時(shí)，是通過(guò)超聲波的發(fā)射來(lái)啟動(dòng)計(jì)時(shí)程序，主要是采用超聲波發(fā)射序列來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)的功能，再通過(guò)外界方波的序列終端計(jì)時(shí)程序，使計(jì)時(shí)結(jié)束；液晶顯示程序軟件，是與超聲波有著密不可分的聯(lián)系，尤其是顯示器上的顏色指示燈，可以根據(jù)超聲波的超差距離、實(shí)測(cè)距離、合格距離等綜合判斷來(lái)顯示不同顏色的指示燈，明確的表示出汽車的檢測(cè)狀態(tài)。

2.3 超聲波在汽車檢測(cè)中的設(shè)計(jì)方案比較

超聲波應(yīng)用到汽車檢測(cè)設(shè)計(jì)中，主要以三種檢測(cè)方案進(jìn)行的。（1）直接檢測(cè)方式，是對(duì)兩個(gè)不同的位置進(jìn)行直接檢測(cè)的方式，檢測(cè)結(jié)果經(jīng)過(guò)視頻放大器可以設(shè)定多倍顯示，但是，這個(gè)過(guò)程中需要使用變壓器，不利于相關(guān)的調(diào)試工作；（2）一體式反射檢測(cè)方式，需要做好發(fā)射和接受時(shí)電路的轉(zhuǎn)換工作，該檢測(cè)方案如果是在距離較近的情況下，會(huì)存在無(wú)法檢測(cè)的盲區(qū)，而且，在試用中很容易產(chǎn)生震蕩的現(xiàn)象，使汽車的檢測(cè)工作不準(zhǔn)確；分體反射檢測(cè)方式，是一種串聯(lián)方式的檢測(cè)方案，在這種串聯(lián)諧振頻率下，超聲波的發(fā)射器可以具有較高的靈敏度，而且，接收器還會(huì)在反諧振平率下也一樣具有較高的靈敏度[4]。因此，使用分體式反射檢測(cè)方式，不僅便于調(diào)試，而且，在檢測(cè)的過(guò)程中就算距離近也不會(huì)產(chǎn)生盲區(qū)的現(xiàn)象，有效的提高汽車檢測(cè)的效率，但是，在使用該方式時(shí)需要注意的是，由于使用的超聲波接收器的電壓高低之間大概有100倍的差距，因此，必須要采用高速型的運(yùn)算放大器才能讓這種檢測(cè)方式發(fā)揮出更大的檢測(cè)效果。

3 影響超聲波測(cè)距技術(shù)的因素

3.1 溫度

在應(yīng)用超聲波測(cè)距技術(shù)的過(guò)程中，需要充分的考慮溫度對(duì)其的影響，如果汽車維修人員在采用該技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，忽略了溫度，將會(huì)嚴(yán)重的影響到檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。主要是由于溫度的變化會(huì)影響到超聲波的傳播速度，并且溫度越高，超聲波的傳播速度會(huì)越快，進(jìn)而影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[5]。因此，在采用超聲波測(cè)距進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，需要根據(jù)大氣的溫度，確定超聲波的傳播速度，再進(jìn)行計(jì)算，這樣才能夠確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 接收脈沖的變化

接收脈沖的變化也對(duì)超聲波測(cè)距技術(shù)檢測(cè)的準(zhǔn)確性具有影響。由于超聲波具有衰減的特征，而在實(shí)際的檢測(cè)中，在接收脈沖的過(guò)程中，存在著一定的延時(shí)性，這樣在具體的對(duì)超聲波進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在汽車維修檢測(cè)的過(guò)程中，需要充分的考慮到接收脈沖的變化。

3.3 信號(hào)傳遞中的漫反射

由于在超聲波傳播的過(guò)程中，會(huì)受到物體的影響導(dǎo)致漫反射問(wèn)題的出現(xiàn)，進(jìn)而影響到檢測(cè)的結(jié)果。因此，要想在實(shí)際的測(cè)量中避免這類問(wèn)題的出現(xiàn)影響到檢測(cè)的準(zhǔn)確性，需要根據(jù)實(shí)際的檢測(cè)地點(diǎn)，選好檢測(cè)的角度，盡量的減少信號(hào)傳遞過(guò)程中的漫反射，有助于檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確，為汽車維修工作提供有效的數(shù)據(jù)依據(jù)[6]。

3.4 直達(dá)波的影響

在利用超聲波測(cè)距技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，還會(huì)受到直達(dá)波的影響，由于一部分脈沖會(huì)被測(cè)物體傳播并反射到接收頭，而另一部分脈沖會(huì)直接傳播到附近的接收頭，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量誤差的出現(xiàn)，如果在進(jìn)行結(jié)果計(jì)算的過(guò)程中，采用該種結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，會(huì)嚴(yán)重的影響到檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，不利于檢測(cè)工作的順利開(kāi)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要針對(duì)于超聲波測(cè)距技術(shù)在汽車維修與檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了具體的分析和研究，通過(guò)本文的探討，我們了解到，在汽車維修行業(yè)應(yīng)用超聲波測(cè)距技術(shù)的時(shí)候，需要全面的了解其原理及其影響超聲波測(cè)距技術(shù)的各種因素，進(jìn)而根據(jù)汽車維修和檢測(cè)的實(shí)際特點(diǎn)，在檢測(cè)的過(guò)程中對(duì)于各種影響因素進(jìn)行規(guī)避，能夠有效的減少測(cè)量誤差的出現(xiàn)，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，使超聲波測(cè)距技術(shù)更好的為汽車維修工作服務(wù)，促進(jìn)汽車維修工作的順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

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超聲波測(cè)距范文第3篇

關(guān)鍵詞：MSP430 低功耗 測(cè)距

中圖分類號(hào)：TP933 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）04-0000-00

1 引言

本文提出一種基于MSP430芯片的超聲測(cè)距系統(tǒng)方案，在硬件上設(shè)計(jì)了高效率的供電電路，并選擇低功耗器件組建系統(tǒng)，在軟件上進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)在不超過(guò)21mW的功耗下完成8米以上的距離測(cè)量，同時(shí)系統(tǒng)具有LCD顯示、紅外通訊、HART通訊、4～20mA輸出等功能，可以直接應(yīng)用在實(shí)際產(chǎn)品中。

2 總體方案介紹

該系統(tǒng)采用MSP430F5659芯片作為主控模塊，對(duì)設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。LCD顯示部分采用了ST7565R控制器的FSTN液晶屏，該液晶屏的典型工作電流為0.15mA。參數(shù)輸入采用紅外遙控的方式，紅外接收芯片采用IRM3638L芯片，典型工作電流為0.33mA。模擬量輸出采用ADI公司的AD421進(jìn)行設(shè)計(jì)，典型工作電流為0.65mA。HART通訊采用AMI Semiconductor公司的A5191HRT型HART調(diào)制解調(diào)器，典型工作電流為0.33mA。該系統(tǒng)設(shè)備總耗電電流為1.46mA，加上單片機(jī)正常工作時(shí)的功耗，該系統(tǒng)控制部分的功耗不高于9mW。超聲波換能器的驅(qū)動(dòng)電路部分采用限流1mA的方式給儲(chǔ)能電容充電，驅(qū)動(dòng)電壓為12V，該部分的功耗為12mW。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主控芯片的選擇

為了降低系統(tǒng)功耗，主控芯片本身必須擁有較低的功耗，同時(shí)要集成較多的模塊資源以節(jié)省器件產(chǎn)生的功耗。TI公司的MSP430系列低功耗16位單片機(jī)被廣泛應(yīng)用在低功耗場(chǎng)合，性能穩(wěn)定。其中MSP430F5659芯片片內(nèi)集成了64KB SRAM，512KB FLASH，12位ADC模塊，可以滿足系統(tǒng)方案對(duì)資源的要求，并留有一定的升級(jí)空間。

3.2按鍵和LCD顯示電路設(shè)計(jì)

LCD采用TOPWAY公司的LM6029ACW顯示屏，驅(qū)動(dòng)芯片為ST7565R，典型工作電流為0.15mA，LCD設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸為并口傳輸，優(yōu)點(diǎn)在于傳輸速度快，減少拖屏現(xiàn)象。

該系統(tǒng)采用獨(dú)立式按鍵設(shè)計(jì)，通過(guò)四個(gè)擁有中斷功能的IO口連接四個(gè)按鍵，完成了確定，取消，左移，右移的按鍵功能，實(shí)際應(yīng)用中這種按鍵方式可以降低操作難度，能夠讓客戶盡快熟悉產(chǎn)品的操作方法。

3.3 4～20mA輸出和HART通信電路

該部分電路主要由兩個(gè)芯片組成，一個(gè)為4～20mA輸出控制芯片AD421，另一個(gè)為HART信號(hào)調(diào)制解調(diào)芯片A5191HRT，這兩個(gè)芯片配合組成的應(yīng)用電路可以將測(cè)得的物位信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)4～20mA電流輸出信號(hào)，并在電流信號(hào)上疊加HART通信信號(hào)。

3.4 其他電路設(shè)計(jì)

3.4.1 溫度檢測(cè)電路

在影響超聲波測(cè)量的各種因素中，溫度的影響最大。因此在超聲測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)采用的MSP430單片機(jī)片內(nèi)集成了溫度傳感器，在精度要求不高或溫度變化不頻繁的場(chǎng)合可以直接采用單片機(jī)內(nèi)部溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)為了解決芯片自身發(fā)熱以及系統(tǒng)溫度和環(huán)境溫度不同的影響，系統(tǒng)還預(yù)留了外置溫度傳感器的接口，可以和DS18B20溫度傳感器進(jìn)行連接從而對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)。

3.4.2 紅外通信電路

采用二線制供電的超聲測(cè)距系統(tǒng)在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)一般為一體式儀表，這種儀表防護(hù)等級(jí)高，對(duì)儀表進(jìn)行操作時(shí)需要打開(kāi)儀表的防護(hù)罩，為了減少操作時(shí)的麻煩，有必要設(shè)計(jì)紅外通信電路通過(guò)紅外遙控對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作和參數(shù)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用Everlight公司的IRM3638L芯片作為紅外接收芯片，其典型工作電流為0.33mA，可以滿足系統(tǒng)低功耗的要求。

3.4.3 參數(shù)存儲(chǔ)電路

本系統(tǒng)采用ATMEL公司生產(chǎn)的串行EEPROM芯片AT24C16作為系統(tǒng)參數(shù)和部分?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)芯片。AT24C16采用8引腳封裝，并且與AT24C64、AT24C512等大容量EEPROM芯片引腳兼容，在需要更大存儲(chǔ)空間時(shí)可以方便的進(jìn)行替換。

3.5 超聲波驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)采用單片機(jī)PWM輸出的方式產(chǎn)生41KHz的方波信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)源，由于驅(qū)動(dòng)換能器的脈沖信號(hào)峰峰值一般需要達(dá)到幾百伏以上，因此采用脈沖變壓器升壓處理，為了使脈沖變壓器得到足夠的電流，需要在變壓器的初級(jí)并聯(lián)3300uF的儲(chǔ)能電容。為了滿足低功耗的要求，儲(chǔ)能電容的充電電路采用恒流源的方式提供1mA的充電電流，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，可以滿足500mA的脈沖重復(fù)頻率對(duì)充電時(shí)間和能量的要求。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果

測(cè)試內(nèi)容：采用本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)完成兩套樣機(jī)，并對(duì)兩套樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了距離測(cè)量驗(yàn)證。樣機(jī)進(jìn)行溫度補(bǔ)償并進(jìn)行誤差校正后得到了以下測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)樣機(jī)的一致性較高，測(cè)量誤差不超過(guò)量程的1%。盲區(qū)可以通過(guò)程序控制在0.3m以內(nèi)，實(shí)際測(cè)量在8m時(shí)有效回波仍然可以達(dá)到500mV以上。

超聲波測(cè)距范文第4篇

關(guān)鍵詞：超聲波，測(cè)距系統(tǒng)，方案

Abstract: with the rapid development of science and technology, in the measurement field, the higher of the ultrasonic waves are used, this paper mainly studies a is composed of TDC-GP2 chip and ATM MCU core device precision ultrasonic ranging system, and they hope to be helpful.

Keywords: ultrasonic ranging system, scheme,

中圖分類號(hào)：TB51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

一、引言

超聲波由于指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，傳輸距離較遠(yuǎn)，在距離測(cè)量如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛。目前，常用于實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)量功能的實(shí)現(xiàn)方案有離散器件實(shí)現(xiàn)、集成電路實(shí)現(xiàn)和專用超聲波測(cè)量芯片實(shí)現(xiàn)等三種。第一種方案成本低但器件參數(shù)較分散，測(cè)量準(zhǔn)確度和距離受到限制; 第二種方案，借助于集成電路實(shí)現(xiàn)，如常用的采用音頻芯片CX20106A實(shí)現(xiàn)，由于受到芯片敏感頻率的限制，測(cè)量的精度和距離受到限制; 第三種方案，采用專用的超聲波測(cè)量芯片實(shí)現(xiàn)，測(cè)量精度高，相對(duì)成本高一些。本文提出一種基于德國(guó) ACAM公司高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21的實(shí)現(xiàn)方案。

二、超聲波測(cè)距系統(tǒng)的構(gòu)成

超聲波測(cè)距系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示?？刂菩酒x用ATMEGA8A，它是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)，自帶SPI接口，可以達(dá)到接近1MIPS/M的性能，運(yùn)行速度比普通CISC單片機(jī)高出10倍。

圖 1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)構(gòu)成圖

超聲波測(cè)量部分由TDC-GP21、超聲波探頭、發(fā)射控制電路、溫度傳感器、超聲波信號(hào)處理電路等組成。

溫度測(cè)量選用DALLAS公司的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，它通過(guò)輸出9位(二進(jìn)制)數(shù)字來(lái)直接表示所測(cè)量的溫度值，溫度值是通過(guò)DS18B20的數(shù)據(jù)總線直接輸入CPU，無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換，而且讀寫(xiě)指令、溫度轉(zhuǎn)換指令都是通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳入DS18B20，無(wú)需外部電源。

在測(cè)距時(shí)超聲波發(fā)射器有規(guī)律發(fā)射超聲波，遇到被檢測(cè)對(duì)象后反射回來(lái)，通過(guò)超聲波接收器接收到反射波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，測(cè)出從發(fā)射超聲波至接收到反射波的時(shí)間差( 時(shí)間間隔 t) 。t 與超聲波傳播速度 c 相乘可求出被測(cè)距離s，即:

s =1/2ct(1)

由于超聲波的聲速和溫度有關(guān)，在測(cè)距精度要求高的場(chǎng)合需要通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。不同溫度下超聲波在空氣中的傳播速度隨溫度變化關(guān)系為:

c = 331.4 + 0.61T(2)

式中: T 為實(shí)際溫度。

2.1、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片控制與配置電路的設(shè)計(jì)

TDC-GP21內(nèi)部主要由脈沖發(fā)生器、數(shù)據(jù)處理單元ALU、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器單元TDC、溫度測(cè)量單元、時(shí)鐘控制單元、配置寄存器以及與單片機(jī)相接的SPI接口組成。芯片工作方式和各功能部分協(xié)調(diào)需要通過(guò)外部控制芯片ATMEGA8用SPI接口實(shí)現(xiàn)。TDC-GP21功能控制與配置電路如圖2所示。

圖 2 計(jì)時(shí)芯片配置電路圖

2.2、基于TDC-GP21的時(shí)間測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，超聲波只有發(fā)射開(kāi)始時(shí)間和返回信號(hào)接收時(shí)間兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，因而可以采用單一通道的時(shí)間間隔測(cè)量方法。測(cè)量過(guò)程中保持STOP2通道導(dǎo)通，STOP1通道截止。

在TDC-GP21測(cè)量芯片中，提供了兩種測(cè)量范圍可供選擇，分別是測(cè)量范圍1和測(cè)量范圍2。結(jié)合實(shí)際情況，利用超聲波測(cè)量距離要考慮聲波的傳輸速度，發(fā)射、接收時(shí)間間隔較長(zhǎng)，因而就限定了只能選擇測(cè)量范圍2。對(duì)應(yīng)測(cè)量范圍2的時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 測(cè)量范圍2時(shí)序圖

TDC-GP21有兩種時(shí)鐘，包括作為內(nèi)部定時(shí)器的32 kHz時(shí)鐘和外部高速時(shí)鐘，供不同工作模式選擇。在測(cè)量范圍2中，作為前置配器的外部高速時(shí)鐘一般采用4MHz陶瓷晶振。借助于TDC-GP21提供的自校正原始數(shù)據(jù)( Cal1和 Cal2) 對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行校正有利于減小因外部時(shí)鐘抖動(dòng)和溫漂引起的TDC-GP21內(nèi)部計(jì)數(shù)及延遲通道誤差，有利于實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)距。

2.3、超聲波測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

ATMEGA8A 單片機(jī)通過(guò)SPI接口控制TDC-GP21，對(duì)TDC-GP21芯片功能配置進(jìn)行選擇。配置完成后，TDC-GP21芯片產(chǎn)生頻率為1MHz的超聲波，1MHz超聲波送到超聲波換能器驅(qū)動(dòng)探頭。接收探頭收到的回波經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電路，進(jìn)入超聲波調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)處理，該測(cè)量回波返回到TDC-GP21芯片，TDC-GP21芯片判斷接收到回波后結(jié)束測(cè)量，同時(shí)通過(guò)中斷通知ATMEA8A單片機(jī)，AT-MEGA8A單片機(jī)讀取測(cè)時(shí)時(shí)間，結(jié)合測(cè)量的當(dāng)前溫度計(jì)算距離并最終顯示在LCM141液晶上。

由上面的系統(tǒng)工作過(guò)程說(shuō)明可知，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心工作是對(duì)TDC-GP21芯片進(jìn)行控制和功能配置。軟件編程的操作主要有兩個(gè)步驟，分別是寫(xiě)寄存器的配置和初始化，以確定 TDC-GP21 的工作模式和寄存器的讀取工作。首先對(duì)TDC-GP21進(jìn)行寄存器配置，設(shè)置測(cè)量范圍和通道2的采樣次數(shù)，定義ALU的計(jì)算方法; 然后初始化TDC-GP21、選通START 和STOP2，TDC-GP21進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)，等待START和STOP2信號(hào); 接收指令后進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量完成后單片機(jī)讀取TDC-GP21測(cè)量數(shù)據(jù)。超聲波測(cè)距系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

圖4 超聲波測(cè)距系統(tǒng)程序流程圖

三、測(cè)量誤差分析

時(shí)間間隔測(cè)量模塊在測(cè)量時(shí)間間隔小于4ms時(shí)，時(shí)間測(cè)量誤差在90ps以下。由于時(shí)間間隔測(cè)量模塊采用延時(shí)通道測(cè)量，延時(shí)時(shí)間受溫度影響，這樣工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或溫差較大會(huì)引起測(cè)量誤差。在實(shí)際應(yīng)用中可通過(guò)控制TDC的工作電壓來(lái)穩(wěn)定延時(shí)時(shí)間; 在實(shí)際測(cè)量中，晶振的穩(wěn)定性也會(huì)影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性，一般采用高質(zhì)量的晶振和內(nèi)部時(shí)鐘校正法改善測(cè)量的精確性。測(cè)量信號(hào)在傳輸和反射過(guò)程中的衰減也是引起測(cè)量誤差的原因，收到信號(hào)過(guò)小，需要進(jìn)行信號(hào)放大，一方面其他的弱小信號(hào)就容易疊加到初始測(cè)量信號(hào)上；另一方面，信號(hào)放大后獲取信號(hào)上升沿的陡度不夠，也會(huì)引起測(cè)量誤差。為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，可以在測(cè)量過(guò)程中多次測(cè)量，拋棄明顯的粗大誤差數(shù)據(jù)，對(duì)剩余數(shù)據(jù)取平均值的方法。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于 TDC-GP21 的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)，充分利用 TDC-GP21 本身時(shí)標(biāo)脈沖和觸發(fā)測(cè)量的特點(diǎn)，借助于高精度時(shí)間間隔測(cè)量功能，實(shí)現(xiàn)了距離的精確測(cè)量。該設(shè)計(jì)提高了超聲波測(cè)距的精度，降低了系統(tǒng)的功耗和體積，尤其適用于低功耗和高測(cè)量精度的場(chǎng)合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用 TDC-GP21 專用時(shí)間測(cè)量芯片研制的超聲波測(cè)距儀控制和使用非常方便，借助于單片機(jī)的通信功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

參考文獻(xiàn)

[1] 王安敏,張凱.基于AT89C52單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器.2006(06)

[2] 張攀峰,王玉萍,張健,張開(kāi)生.帶有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y(cè)距儀的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制.2012(06)

超聲波測(cè)距范文第5篇

關(guān)鍵詞:防撞系統(tǒng);超聲波;測(cè)距;單片機(jī)

中圖分類號(hào):TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)02-205-02

Ultrasonic Ranging Back-draft Anti-collision Alarm System Based on AT89C52

ZHANG Heng,LIU Yajie

(Wuhan University of Engineering,Wuhan,430073,China)

Abstract:Using single-chip AT89C52 as the master combined with the principle of ultrasonic distance measurement to realize the back-draft anti-collision alarm function.The integrated chips of CX20106A and DS18B20 are separately used in the detection receiving circuit and the temperature compensation circuit,the mutual disturbance between circuit is reduced.The maximum distance measurement error is less than 1 cm,and the range of the system is 10~300 cm.This system has simple structure,small size,easy-to-use features and so on.

Keywords:CAS;ultrasonic;distance measurement;single-chip microcomputer

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,我國(guó)汽車的擁有量在大幅增加,造成道路擁堵,交通事故頻發(fā),給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了巨大的損失。安全駕駛成為大家關(guān)注的焦點(diǎn),其中汽車防撞系統(tǒng)(Collision Avoidance System,CAS)的設(shè)計(jì)和需求顯得非常重要和迫切。針對(duì)這種情況,設(shè)計(jì)一種響應(yīng)快、可靠性高且較為經(jīng)濟(jì)的汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)勢(shì)在必行。

超聲波作為一種頻率超過(guò)20 kHz的機(jī)械波,其指向性強(qiáng),能量消耗緩慢,在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn),因此超聲波測(cè)距法是最常見(jiàn)的一種距離測(cè)量方法。利用超聲波檢測(cè)距離,設(shè)計(jì)比較方便,計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單,而且精度也較高[1]。本設(shè)計(jì)采用AT89C52單片機(jī)作為主控器,結(jié)合超聲波測(cè)距原理,設(shè)計(jì)了汽車倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用軟、硬件結(jié)合的方法,具有模塊化和多用化的特點(diǎn)。

1 超聲波的測(cè)距原理

本系統(tǒng)選用的是壓電式超聲波傳感器。超聲波測(cè)距原理有兩種方式:共振式和脈沖反射式。因?yàn)楣舱袷降膽?yīng)用要求復(fù)雜,在此使用脈沖反射式[2,3]。超聲波測(cè)距原理如圖1所示。

圖1 超聲波測(cè)距原理圖

圖1中被測(cè)距離為H,兩探頭中心距離的一半用M表示,超聲波單程所走過(guò)的距離用L表示,由圖中關(guān)系可得:

H=Lcos θ

(1)

θ=arctan(M/H)

(2)

將式(2)代入式(1)可得:

H=Lcos[arctan(M/H)]

(3)

在整個(gè)傳播過(guò)程中,超聲波所走過(guò)的距離為:

2L=vt

(4)

式中:v為超聲波的傳播速度;t為傳播時(shí)間,即為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間。

將式(4)代入式(3)可得:

H=12vtcos[arctan(M/H)]

(5)

當(dāng)被測(cè)距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于M時(shí),cos[arctan(M/H)]1,в謔鞘(5)變?yōu)?

H=12vt

(6)

由此可見(jiàn),要想測(cè)得距離H,只要測(cè)得超聲波的傳播時(shí)間t即可[4]。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各個(gè)方面因素,可以采用AT89C52單片機(jī)作為主控制器,用動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)LCD數(shù)字顯示,超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成,其具體的系統(tǒng)框圖如圖2所示[5]。

圖2 防撞報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

該系統(tǒng)主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路等部分組成。采用AT89C52來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CX20106A紅外接收芯片和TCT40-10系列超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。其中超聲波接收電路使用集成電路CX20106A,可用來(lái)完成信號(hào)的放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和波形整形等功能。顯示器件采用的是LCD12864顯示器,并選用D18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè),實(shí)行溫度補(bǔ)償[6]。主控器AT89C52單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,具有8 KB的系統(tǒng)可編程FLASH存儲(chǔ)器。與AT80C51引腳和指令完全兼容。擁有1個(gè)8位CPU,1個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路,3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,21個(gè)特殊功能寄存器,4個(gè)8位并行I/O口,共32條可編程I/O端線,1個(gè)可編程全雙工串行口,8個(gè)中斷源[7,8]。

本設(shè)計(jì)的實(shí)物如圖3所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分包括主程序、中斷子程序和其他子程序[9,10]。主程序流程圖如圖4所示,其中中斷子程序的核心代碼如下:

void TT() interrupt 2

{

uint temp;

TR0=0;

ET1=0;

flag=1;

temp=TH0*256+TL0;

if((temp>0)&&(temp

{

high_time=TH0;

low_time=TL0;

}

else

{

high_time=0;

low_time=0;

}

}

void beep()

{

unsigned char i;

for (i=0;i

{

delay(4);

BEEP=!BEEP; //BEEP取反

}

BEEP=1; //關(guān)閉蜂鳴器

delay(250);//延時(shí)

4 結(jié) 語(yǔ)

此倒車防撞報(bào)警系統(tǒng),可以應(yīng)用于汽車倒車等場(chǎng)合,提醒駕駛員在倒車時(shí)能有效地避開(kāi)可能對(duì)倒車造成危害的障礙物和行人。本系統(tǒng)針對(duì)普遍存在的抗干擾性問(wèn)題加強(qiáng)了軟硬件處理措施。硬件方面例如把超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái),提高了系統(tǒng)的抗干擾能力;軟件方面系統(tǒng)結(jié)合使用DS18B20溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償矯正,使系統(tǒng)可以正常工作在任何溫度下,誤差都不會(huì)超過(guò)指定范圍。并用帶字庫(kù)功能的LCD12864液晶實(shí)時(shí)顯示距離,當(dāng)滿足距離條件時(shí),蜂鳴器蜂鳴工作提示駕駛員,具有較強(qiáng)的實(shí)用性,且硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小,使用方便。但該系統(tǒng)的測(cè)量距離有限,只有在10~300 cm距離內(nèi)有效,需要進(jìn)一步的改進(jìn)和提高。

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