于 姣

(蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 電子工程系，江蘇 蘇州 215009)

超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)［1－2］，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如物位測量儀和測距儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測比較快速、方便、計(jì)算簡單、易于實(shí)時(shí)控制，并在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，性價(jià)比較高。因此在液位、井深、管道長度的測量、移動機(jī)器人定位和避障等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)以脈沖回波法的超聲波測距原理為依據(jù)［3－4］，AT89S52 單片機(jī)作為控制核心，結(jié)合超聲波發(fā)送和接收模塊HY－SRF05，實(shí)時(shí)LCD 顯示。系統(tǒng)采用DS18B20 溫度傳感器，把溫度值的變化補(bǔ)償?shù)匠暡ǖ牟ㄋ僦?，從而提高超聲波測距儀的精度，降低溫度對測距結(jié)果的影響。

1 超聲波測距原理

超聲波測距的原理是通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時(shí)的時(shí)間差就可判斷出距離，這與雷達(dá)測距原理相似。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)［5］，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物則立即返回，超聲波接收器收到反射波則停止計(jì)時(shí)。

圖1 超聲波測距原理圖

根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離［6］

其中，s 是超聲波往返通過的路程;V 為超聲波介質(zhì)中傳播速度;T 為實(shí)際溫度。所以超聲波傳播速度和溫度密切相關(guān)，由此可見溫度對于超聲波測距系統(tǒng)的影響是不可忽略的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由5 部分組成，以AT89S52 單片機(jī)作為控制核心，溫度傳感器DS18B20 用于溫度的采集，LCD用于顯示實(shí)時(shí)溫度和障礙物的距離，超聲波傳感器HC－SRF05 用于超聲波的發(fā)送和接收。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 超聲波傳感器

超聲波傳感器HC－SRF05 集超聲波的發(fā)送和接收功能于一體，可提供2 ～450 cm 的非接觸式距離感測功能。圖3 是HC－SRF05 的實(shí)物圖，圖4 是超聲波模塊電路圖。1 腳為5 V 電源端;2 腳為觸發(fā)控制的信號輸入端，與單片機(jī)的P3.7口相連;3 腳為回響信號輸出，與單片機(jī)P3.2口相連;4 腳接地;5 腳為開關(guān)量輸出。

圖3 超聲波傳感器HC－SRF05

圖4 超聲波模塊電路

P3.7口向觸發(fā)引腳發(fā)送≥10 μs 的脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8 個(gè)40 kHz 周期電平并檢測回波，一旦檢測到有回波信號，則3 腳輸出回響信號，所測的距離與回響信號的脈沖寬度成正比，由此可通過發(fā)射信號到收到回響信號的時(shí)間間隔計(jì)算得到距離。超聲波時(shí)序圖如圖5 所示。

圖5 超聲波時(shí)序圖

2.2 溫度傳感器DS18B20

由于聲音的速度在不同的溫度下有所不同，因此為提高精度，應(yīng)通過溫度補(bǔ)償對超聲波的傳播速度進(jìn)行校正［7］。系統(tǒng)采用DS18B20 傳感器測量溫度，DS18B20 溫度傳感器具有不受外界干擾、精度高、測溫范圍寬等優(yōu)點(diǎn)［8－9］。檢測電路如圖6 所示，單片機(jī)P3.1口接DS18B20 數(shù)據(jù)總線，控制DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換和傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總線接10 kΩ 的上拉電阻，作用是使總線控制器在溫度轉(zhuǎn)換期間無需一直保持高電平。

圖6 溫度檢測電路

2.3 LCD 顯示模塊

LCD1602 具有超薄、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于低功耗電子產(chǎn)品和智能儀表中［10］。LCD 顯示電路如圖7 所示，3 腳VL 為對比度調(diào)整端，使用時(shí)通過接一個(gè)10 kΩ 的電阻來調(diào)節(jié)。4 腳RS 為寄存器選擇信號線，H 為數(shù)據(jù)選擇，L 為指令選擇，接單片機(jī)的P1.0口。5 腳RW 為讀寫信號線，接單片機(jī)的P1.1口。6腳E 為使能端，當(dāng)E 由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)執(zhí)行命令，接單片機(jī)的P1.2口，8 位數(shù)據(jù)線D0～D7，接單片機(jī)的P0口。

圖7 LCD 顯示電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)初始化部分包括引腳的定義、中斷和定時(shí)器的設(shè)置等，進(jìn)而調(diào)用溫度檢測子程序，根據(jù)溫度值對超聲波速度進(jìn)行校準(zhǔn)，最終根據(jù)回波信號計(jì)算距離并顯示，主程序流程如圖8 所示。

圖8 主程序流程圖

3.2 超聲波測距子程序

超聲波發(fā)送子程序采用定時(shí)器T0中斷的方式由單片機(jī)P3.7引腳發(fā)送觸發(fā)脈沖，由單片機(jī)P3.2引腳利用定時(shí)器T1來對回波信號進(jìn)行檢測計(jì)時(shí)，初始化T1后檢測等待回波信號的到來，當(dāng)信號由低變高后定時(shí)器T1開始計(jì)時(shí)，直到信號由高到低計(jì)時(shí)結(jié)束，根據(jù)溫度校準(zhǔn)后的超聲波速度計(jì)算障礙物的距離，超聲波測距流程如圖9 所示。

圖9 超聲波測距流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

硬件電路如圖10 所示，經(jīng)過試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)如表1所示。由表1 數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)測量范圍在30 ～150 mm之間時(shí)，誤差相對較小，此范圍之外誤差較大。

圖10 系統(tǒng)實(shí)物

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過引入DS18B20，使超聲波測距系統(tǒng)的測量精度有了較大的提高。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、帶溫度補(bǔ)償、實(shí)時(shí)LCD 顯示和報(bào)警等優(yōu)點(diǎn)，并有一定的實(shí)用價(jià)值。

［1］ 郭清.基于STC89C52 的超聲波測距防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2011(6):74－77.

［2］ 王安敏，張凱.基于AT89C52 單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2006(6):47－49.

［3］ 龐彥賓，陳克安.自由場分散式有源聲控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析［J］.電聲技術(shù)，2010，34(2):73－76.

［4］ 張曉宇，儀垂杰.主、被動噪聲控制的實(shí)驗(yàn)研究［J］.噪聲與振動控制，2011，31(3):145－148.

［5］ 曹月真.基于51 單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子世界，2011(10):55－56.

［6］ 李柏庚.超聲波測距儀設(shè)計(jì)［J］.工具技術(shù)，2012，46(6):82－85.

［7］ 沙愛軍.基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2009，22(11):57－61.

［8］ 蘭羽，周茜.超聲波測距系統(tǒng)接收電路研究［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012，20(14):81－83.

［9］ 蘭羽.具有溫度補(bǔ)償功能的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子測量技術(shù)，2013，36(2):85－87.

［10］周知進(jìn)，文澤軍，卜英勇，等.小波降噪在超聲回波信號處理中的應(yīng)用［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30(2):237－241.