1、超聲波測距系統的設計 超聲波測距技術在工業領域、車輛導航、水聲工程等領域有著廣泛的應用價值。目前已應用于液位測量、機器人自動導航以及空中和水下目標的檢測、識別和定位。因此，深入研究超聲波測距的理論和方法具有重要的現實意義。為了進一步提高測距精度，滿足工程技術人員對測量精度、測距范圍和測距儀的要求，本文研制了一種基于單片機的便攜式超聲波測距系統。關鍵詞:超聲波，測距儀，單片機1.前言隨著科學技術的發展，人民生活水平的提高，城市開發建設的加快，城市給排水系統的大發展，其狀況也在不斷改善。然而，由于歷史原因和許多不可預見的因素，城市給排水系統，尤其是排水系統，往往滯后于城市建設。因此，經常出現挖掘已

2、建建筑設施改造排水系統的現象。城市污水給人們帶來了困擾，所以疏通箱涵的污水對于大城市給排水系統的污水處理非常重要，這樣人們才能生活的舒適。箱涵排水清淤移動機器人自動控制系統的設計與開發是箱涵排水清淤移動機器人設計與開發的核心部分。控制系統的核心部分是超聲波測距儀的研制。因此，設計的超聲波測距儀非常重要。2.超聲波測距原理2.1壓電超聲波發生器的原理壓電超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的共振來工作的。超聲波發生器具有兩個壓電晶片和一個共振板。當一個脈沖信號施加到它的兩極，其頻率等于壓電芯片的固有振蕩頻率時，壓電芯片就會發生諧振，并驅動諧振片振動，從而產生超聲波。相反，如果兩個電極之間沒有施加電壓

3、，當共振板接收到超聲波時，會壓迫壓電晶片振動，將機械能轉化為電信號，然后就變成了超聲波接收器。測量脈沖到達時間的傳統方法是基于具有固定參數的接收信號的開始。該限值剛好高于噪聲水平，但脈沖到達時間被定義為脈沖信號剛好超過限值的第一個時刻。物體的脈沖強度很大程度上取決于它的自然大小和它與傳感器的距離。此外，從脈沖的起始點到剛好超過極限的時間段隨著脈沖的強度而變化。結果出現了一個錯誤兩個強度不同的脈沖在不同的時間穿越邊界，但同時到達。較強的脈沖會比較弱的脈沖更早超過極限，所以我們認為較強的脈沖屬于較近的物體。2.2超聲波測距原理超聲波發射器向某個方向發射超聲波，在發射時間的同時開始計時。超聲波在空氣

4、中傳播，途中碰到障礙物，就立刻回來。超聲波接收器在接收到反射波后立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，可以根據計時器記錄的時間T計算出發射點與障礙物之間的距離(s ),即s=340t/2。3.超聲波測距系統的電路設計。該系統的特點是利用單片機控制超聲波的發射，并對超聲波發射到接收的往返時間進行計時。單片機C51經濟易用，芯片有4K ROM，編程方便。電路原理圖如圖1所示。圖1電路原理圖產生3.140kHz脈沖和超聲波發射測距系統中的超聲波傳感器采用UCM40壓電陶瓷傳感器，其工作電壓為40kHz脈沖信號，由單片機執行以下程序產生。普澤爾:mov 14h，# 12h超聲波發射20

5、0毫秒。這里:cpl p1.0輸出40kHz方波nopnopnopdjnz 14h，這里；浸水使柔軟前測距電路的輸入端連接到單片機的P1.0端口。單片機執行上述程序后，在P1.0端口輸出一個40kHz的脈沖信號，經三極管T放大后驅動超聲波發射器UCM40T發射40kHz的脈沖超聲波，持續200 ms，右測距電路和左測距電路的輸入端分別與P1.1和P1.2端口相連，工作原理與前測距電路相同。3.2超聲波的接收和處理接收頭使用與發射頭配對的UCM40R，超聲調制脈沖變為交流電壓信號，經運算放大器IC1A、IC1B放大后加到IC2上。IC2是帶鎖環的音頻解碼集成塊LM567。其壓控振蕩器的中心頻率F

6、0等于1/1.1R8c3，鎖定帶寬由電容C4決定。如果在發射的載頻上調整R8，LM567的輸入信號將大于25mV，輸出端8從高電平跳到低電平，作為中斷請求信號送到單片機處理。前置測距電路的輸出接單片機INT0口，中斷優先級最高。左右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出連接到單片機INT1端口，單片機P1.3和P1.4連接到IC3A的輸入。中斷源的識別由程序查詢處理，中斷優先級先右后左。一些源程序如下:接收1:推送psw推送accclr ex1關閉外部中斷1jnb p1.1，對；P1.1引腳為0，轉到右測距電路中斷服務程序。jnb p1.2，左側；P1.2引腳為0，轉到左測距電路中斷服務程序。返

7、回:SETB EX1；打開外部中斷1流行accpop psw雷蒂右:.；右測距電路中斷服務程序入口ajmp返回左側:.；左側測距電路中斷服務程序入口ajmp返回3.3超聲波傳播時間的計算在啟動發射電路的同時，啟動單片機的定時器T0，利用定時器的計數功能記錄超聲波發射的時間和接收反射波的時間。當接收到超聲波反射波時，接收電路的輸出端產生負跳變，在INT0或INT1端產生中斷請求信號。MCU響應外部中斷請求，執行外部中斷服務子程序，讀取時間差并計算距離。它的一些源程序如下:接收0:推送PSW推送ACCCLR EX0關閉外部中斷0MOV R7，TH0讀取時間值MOVR6，TL0清除符號位R6 MOV

8、SUBB A，# 0BBH計算時差MOV 31H，A；存儲結果MOV A，R7SUBB A，#3CHMOV 30H，ASETB EX0；打開外部中斷0流行ACCPOP PSW雷蒂對于平面目標，距離測量包括兩個階段:粗測和精測。步驟1:脈沖傳輸產生一個簡單的超聲波。第二步:根據公式改變回聲放大器的采集量，直到檢測到回撥。第三步:檢測兩個回波的幅度和過零時間。第四步:設置回聲放大器的結果指定輸出，假設是3伏。通過脈沖周期設置下一個脈沖。根據第二部分的數據設置時間窗口。第五步:發射兩串脈沖，產生干擾波。測量過零時間和回波幅度。如果在回聲中出現相反的情況，則決定是否在低壓下插入振幅。第六步:用公式計算

9、距離Y。4.超聲波測距系統的軟件設計。軟件分為兩部分，主程序和中斷服務程序。主程序完成初始化工作，控制超聲波發射和接收的順序。定時中斷服務子程序依次完成三向超聲波發射，外部中斷服務子程序主要完成時間值讀取、距離計算、結果輸出等。5.結論對要求測量周長為30cm200cm的平面物體進行了多次測量，發現最大誤差為0.5cm，重復性好。可以看出，基于單片機的超聲波測距系統具有硬件結構簡單、工作可靠、測量誤差小的特點。因此，它不僅可用于移動機器人，也可用于其他檢測系統。思考:至于接收機中為什么不用晶體管做放大電路，因為放大倍數不好，集成放大電路配有自動電平增益控制，放大倍數76dB，中心頻率38k到4

10、0k，正好是超聲波傳感器的諧振頻率。參考1.Fox，J.D .、Khuri-Yakub、B.T .和Kino，G.S .，“空氣中的高頻聲波測量”，載于IEEE 1983年超聲波研討會會議錄，1983年10月31-11月2日，佐治亞州亞特蘭大，第581-584頁。2.Martin Abreu，J.M .，Ceres，r .和Freire，t .，“超聲波測距:包絡分析提高精度”，傳感器評論，第12卷第1期，1992年，第17-21頁。3.Parrilla，m .，Anaya，J.J .和Fritsch，c .，“高精度超聲波測距的數字信號處理技術”，IEEE匯刊:儀器和測量，第40卷第4期，1

11、991年8月，第759-63頁。4.Canali，c .、Cicco，G.D .、Mortem，b .、Prudenziati，m .和Taron，A .，“一種在空氣中工作的溫度補償超聲波傳感器，用于距離和近程測量”，IEEE工業電子學報，IE-29卷第4期，1982年，第336-41頁。5.Martin，J.M .、Ceres，r .、Calderon，L .和Freire，t .，“超聲波測距獲得熱校正”，傳感器評論，第9卷第3期，1989年，第153-5頁。超聲波測距系統設計出版物名稱:傳感器評論。布拉德福:1993年。第13卷文摘:超聲波測距技術在工業現場、車輛導航和聲納工程等領域有

12、著廣泛的應用價值。現已應用于液位測量、自導式自主車、野外作業機器人、自動導航、空中和水下目標探測、識別、定位等領域。因此，深入學習測距理論和方法具有重要的實踐意義。為了提高手持式超聲波測距系統的精度，滿足工程人員對測距精度、范圍和使用的要求，研制了一種基于單片機的便攜式超聲波測距系統。關鍵詞:超聲波r，測距系統，單片機1.介紹的隨著科學技術的發展，人民生活水平的提高，加快了城市的開發和建設。城市排水系統有了很大發展，其狀況也在不斷改善。然而，由于歷史原因，許多不可預測的因素綜合在她的時代，城市排水系統。特別是排水系統往往落后于城市建設。因此，經常會有好的建筑被挖掘，建筑設施，以提升排水系統的現

13、象。它給城市帶來了污水，而它又是城市污水處理系統中的清污和排水暗渠。舒適對人們的生活非常重要。移動機器人設計用于清理排水涵洞和自動控制系統免費污水涵洞清理保證機器人，該機器人設計用于清理涵洞污水的核心。控制系統是超聲波測距儀開發的核心組成部分。因此，設計一個好的超聲波測距儀是非常重要的。2.超聲波測距原理2.1壓電超聲波發生器的原理壓電超聲波發生器是利用壓電晶體諧振器來工作的。超聲波發生器，內部結構如圖所示，它有兩個壓電芯片和一個諧振板。當它的兩個外加脈沖信號，其頻率等于芯片的固有壓電振蕩頻率時，芯片就會發生壓電諧振，并推動板的共振振動發展，產生超聲波。反之，如果兩個電極間都沒有電壓，當電路板

14、接收到超聲波共振時，就會對壓電芯片進行振動抑制，將機械能轉化為電信號，這時它就變成了超聲波接收器。確定回波到達時刻的傳統方法是基于用固定基準對接收信號進行閾值處理。閾值被選擇為遠高于噪聲水平，而回波到達的時刻被定義為回波信號超過該閾值的第一時刻。從物體反射的回波的強度很大程度上取決于物體的性質、大小和與傳感器的距離。此外，從回聲的起始點到它超過閾值的時刻的時間間隔隨著回聲的強度而變化。因此，即使同時到達的兩個強度不同的回波在不同時刻超過閾值，也會產生相當大的誤差。較強的一個會比較弱的一個更早超過閾值，所以會被認為是屬于較近的一個物體。2.2超聲波測距原理超聲波發射器向一個方向發射超聲波，在發射

15、時刻開始的同時，超聲波在空氣中傳播，途中的障礙物立即返回，接收器收到超聲波反射波立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m / s，根據計時器記錄的時間t，我們可以計算出發射距離障礙物之間的距離(s ),即:s = 340t / 23.超聲波測距系統的二次電路設計系統的特點是用單片機來控制超聲波發射器和超聲波接收器的自發射定時，單片機選用8751，經濟實惠，并且芯片有4K ROM，方便編程。電路原理圖如圖2所示。圖1電路原理圖3.1發射時產生的40千赫超聲波脈沖測距系統的超聲波傳感器采用壓電陶瓷傳感器UCM40，其工作電壓為40kHz的脈沖信號，它由單片機執行以下程序產生。普澤爾:mov

16、 14h，# 12h超聲波點火持續200毫秒這里:cpl p1.0輸出40kHz方波nopnopnopdjnz 14h，這里；浸水使柔軟單片機前端測距終端電路的P1.0輸入端口，單片機執行上述程序，在P1.0端口輸出一個40kHz的脈沖信號，經過三極管T放大后，驅動UCM40T發射第一個超聲波，發出40kHz的超聲波脈沖，并持續發射200ms。分別測距電路的右側和左側，然后輸入端口P1.1和P1.2，其工作原理和前面電路的位置相同。3.2超聲波的接收和處理用于接收第一對UCM40R的第一次發射，將超聲脈沖調制信號轉換成交流電壓，經運算放大器放大IC1A和極化IC1B后送到IC2。IC2是帶音頻

17、解碼芯片LM567的鎖相環，內部壓控振蕩器中心頻率為f0 = 1/1.1R8C3，電容C4決定其目標帶寬。R8調理在發射載波頻率上，LM567的輸入信號大于25mV，輸出從高8腳跳成低電平，作為中斷請求信號送到單片機處理。單片機終端電路輸出端口INT0前面的測距中斷優先級最高，輸出電路右側或左側位置用輸出門IC3A接入單片機INT1端口，而單片機P1.3和P1。4收到輸入IC3A，中斷由進程識別查詢源來處理，中斷優先級為先左后右。部分源代碼如下:接收1:推送psw推送accclr ex1相關外部中斷1jnb p1.1，對；P1.1引腳為0，范圍從右到中斷服務程序電路jnb p1.2，左側；P1

18、.2引腳為0，為左側測距電路中斷服務程序返回:SETB EX1；打開外部中斷1流行accpop psw雷蒂右:.；右位置入口電路中斷服務程序Ajmp返回左側:.；左側測距入口電路中斷服務程序Ajmp返回3.3超聲波傳播時間的計算當你開始發射的同時啟動單片機電路內的定時器T0，利用定時器的計數功能記錄發射時間和超聲波反射波接收時間。當接收到超聲波反射回來的ed波時，接收電路輸出一個負跳變，在INT0或INT1結束時產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執行外部中斷服務子程序，讀取時差，計算距離。它的一些源代碼如下:接收0:推送PSW推送ACCCLR EX0相關外部中斷0MOV R7，TH

19、0讀取時間值MOVR6，TL0清除符號位R6 MOVSUBB A，# 0BBH計算時差MOV 31H，A；存儲結果MOV A，R7SUBB A，# 3CHMOV 30H，ASETB EX0；打開外部中斷0流行ACCPOP PSW雷蒂對于平面目標，距離測量包括兩個階段:粗略測量和精確測量。精確的測量:步驟1:發射一個脈沖序列以產生一個簡單的超聲波。步驟2:根據等式改變兩個回波放大器的增益，直到檢測到回波。步驟3:檢測兩個回波的幅度和過零時間。步驟4:設置兩個回波放大器的增益，以將輸出歸一化為例如3伏。根據回波周期設置下一個脈沖的周期。根據步驟2的數據設置時間窗口。步驟5:發送兩個脈沖序列以產生干擾波。測試回波的過零時間和振幅。如果回波中出現相位反轉，則確定通過使用波谷附近的振幅進行插值來計算。導出t sub m1和t sub m2。步驟6:使用等式計算距離y。4.超聲波測距系統軟件設計軟件分為兩部分，主程序和中斷服務程序。完成主程序的初始化工作，控制超聲波發射和接收的各個順序。中斷服務子程序定時完成三個旋轉方向的超聲波發射，主外部中斷服務子程序讀取完成時間值、距離計算、結果輸出等。5.結論要求測量范圍為30cm 200cm的平面內物體做多次測量，發現最大誤差為0.5cm，且重復性好。可以看出