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1、前言摘要：近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国的汽车数量正逐年增加。同时汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。据相关调查统计，15的汽车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。因此。增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。 超声波一般指频率在20 kHz以上的机械波，具有穿透性强，衰减
2、小，反射能力强等特点。工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。超声波测距原理简单，成本低，制作方便，但其传输速度受天气影响较大，不能精确测距；另外，超声波能量与距离的平方成正比衰减，因此，距离越远，灵敏度越低，从而使超声波测距方式只适用于较短距离。目前，国内外一般的超声波测距仪，其理想的测量距离为45 m，因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中本文根据声波在空气中传播反射原理，以超声波换能器为接口部件，介绍了基于AT89C52单片机的超声波测距器。该设计由超声波发射模块、信号接
3、收模块、单片机处理模块、LCD显示以及声光告警显示模块等部分组成，文中详细介绍了测距器的硬件组成、检测原理、方法以及软件结构。超声波发射模块中采用555定时器构成的时基电路，接收电路使用两级运算放大器，再将信号进行比较，设计出能够成功对40kHz超声波检波的硬件电路，并且增益可调，与传统超声波检波电路相比，电路变得精简，调试变得相对容易。测距器使用LCD显示目标物的距离。关键词：超声波、测距、AT89C52、倒车Abstract：In recent years, with the rapid development of automobile industry and the continuo
4、us improvement of peoples living standard, Chinas number of cars is increasing every year. Driving in Central Africa at the same time professional staff of the proportion of car drivers is also increasing year by year. Highways, streets, parking, garage and other crowded places narrow reverse, the d
5、river should not only forward but also looking back, a little rear-end careless accidents can occur. According to related statistics, 15% of motor vehicle collisions when the vehicle is reversing, as the capacity of the latter caused by bad.So after the increase of motor vehicles as the ability to d
6、etect obstacles on the development of the rear of the car reversing radar has become the research hotspot in recent years. Security to avoid obstacles on the premise that the rapid and accurate measurement of obstructions and the distance between motor vehicles. To this end, the design of a single-c
7、hip microcomputer as the core, the use of ultrasonic ranging to achieve non-contact reversing radar system. Generally refers to ultrasonic frequencies above 20 kHz mechanical waves, with penetrating, and attenuation of small, reflecting the ability and so on. Work, the ultrasonic transmitter continu
8、ously emits a series of consecutive pulses to the measurement of logic circuits to provide a short pulse. Finally, signal processing devices based on the received signal for processing the time difference, automatic calculation of turnout and the distance between obstacles. Ultrasonic Ranging simple
9、, low cost, easy production, but the transmission speed by a larger weather can not be precise range; In addition, the ultrasonic energy and the attenuation is directly proportional to the square of the distance, the farther the distance, the lower sensitivity and thus Ultrasonic Ranging way so that
10、 only apply to a shorter distance. At present, ultrasonic range finder at home and abroad in general, the ideal distance of the measurement 4 5 m, thus reversing radar are used in cars, such as close range in this paper, according to the spread of sound waves in air reflection to ultrasonic transduc
11、er interface components, based on MCU AT89C52 ultrasonic range-finder. Designed by the ultrasonic transmitter module, receiver module, single-chip processing module, a digital display and alarm sound and light display module, such as parts, the text in detail the range of hardware devices, detection
12、 theory, methods and software architecture. The use of ultrasonic transmitter module consisting of 555 time-base timer circuit, receiving circuit using the SONY company dedicated CX20106A infrared detecting chip, the chip used in the detector circuit 38kHz, the text of the chip through the careful a
13、nalysis of the internal circuit design can successfully 40kHz ultrasonic detection of hardware circuitry and adjustable gain, and compared to conventional ultrasonic detection circuit, the circuit has become streamlined and easier to debug. The use of digital rangefinder display the distance between
14、 objects. Key words:AT89C52; Silent Wave;Measure Distance; Reversing目录前言1绪论81.1选题背景81.2设计目的81.3 设计的意义91.4目前国内外的研究现状101.5超声波的特性及作用原理111.6 发展历史12第二章 方案论证162.1超声波的定义162.2超声波的物理特性162.2.1超声波的衰减182.3发射脉冲波形212.4超声波测距原理222.5测量与控制方法232.6理论计算232.7 影响精度的因素分析252.8 提高精度的方案及系统设计272.8.1温度校正的方法提高测距精度272.8.2标杆校正的方法提
15、高测距精度282.9 系统的工作原理29第三章 系统局部硬件电路设计313.1 AT89C52单片机313.1.1时钟电路323.1.2复位电路333.2超声波发射电路333.2.1多谐振荡器333.2.2超声波传感器353.3超声波接收电路373.3.1放大电路及其参数的设计373.3.2电压比较电路及其参数的设计383.4 LCD液晶显示部分结构403.4.1 LCD的参数和性能及引脚介绍403.4.2 AT89C52和LCD显示器模块的接口413.4.2.1AT89C52和LCD显示器模块的硬件接口413.5语音报警模块433.5.1放音芯片的选择443.5.2 API8108A和AT8
16、9C52的硬件接口443.6电源模块46第四章 系统软件设计484.1超声波接收发射软件设计484.1.1 超声波测距仪的算法设计484.1.2串扰问题514.3 LCD液晶显示部分软件设计524.3.1读/写时序524.3.1.1OCMJ4X8C型LCD显示模块的读时序534.3.1.2OCMJ4X8C型LCD显示器模块的写时序54第五章 主要参考文献55第六章 致谢辞56绪论1.1选题背景随着科技发展的不断进步，自动测量的技术不断更新，非接触式测量技术也有了长足的发展。在很多工控场合，测量的物体是不能够直接接触到的，或者是测量物体不宜直接接触, 这个时候就要用到非接触式的测量仪器。自物理学
17、上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此超声波技术得到广泛运用，而在超声波测量领域，尤其是在测距领域，结合各种其他技术的应用，超声波测量变得十分普及。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡 ,传播速度仅为光波的百万分之一 ,纵向分辨率较高.超声波对色彩、光照度、外界光线和电磁场不敏感 ,因此超声测距对于被测物处于黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力 ,在液位测量、机器人避障和定位、倒车雷达、物体识别等方面有着广泛的运用。由于超声传播不易受干扰 , 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离的测量. 本文
18、以超声波理论为依据，给出日常生活中可以方便使用的非接触式超声波测距装置的设计过程。1.2设计目的由于超声波在空气中波速较慢，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。因此超声测距广泛应用于倒车雷达、物体识别等方面，特别是应用于空气测距。超声波测距利用声波反射原理，避免传感器直接与介质接触，是一种传统而实用的非接触测量方法。与红外、激光及无线电测距相比，它具有结构简单、可靠性能高、价格便宜、安装维护方便等优异特性。在近距范围内
19、超声测距具有不受光线、颜色以及电、磁场的影响和指向性强的优点，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低。但由于超声波传播时难于精确捕捉，温度对声速影响等原因，使超声测距的精度受到很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求较高场合下的应用。1.3 设计的意义近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国的汽车数量正逐年增加。同时汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。据相关调查统计，15的汽车碰撞事故
20、是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。因此。增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。于是，一种新的测距方法诞生了非接触测距。超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波
21、探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。1.4目前国内外的研究现状超声波是指频率在 20kHz106kHz的机械波,波速一般为 1500m/s,波长为 0.01cm10cm。超声波的波长远大于分子尺寸 ,说明超声波本身不能直接对分子起作用 ,而是通过周围环境的
22、物理作用影响分子 ,所以超声波的作用与其作用的环境密切相关。超声波既是一种波动形式 ,又是一种能量形式 ,在传播过程中与媒介相互作用产生超声效应。超声波与媒介相互作用可分为机械作用、空化作用和热作用。随着科学技术的发展 ,相关技术领域相互渗透 ,使超声波技术广泛应用于工业、化工、医学、石油化工等许多领域。超声波作为一种特殊的能量输入方式 ,所具有的高效能在材料化学中起到光、电、热方法所无法达到的作用 。仅从超声波在液体中释放的巨大能量来说就是其他方法所望尘莫及的 ,更不用说超声波定量控制的效果了。近年来 ,随着超声波技术的日益发展与成熟 ,其在新材料合成、化学反应、传递过程的强化以及废水处理等
23、领域都得到了广泛的应用 。在材料合成中 ,尤其是纳米材料的制备中 ,超声波技术有着极大的潜力。通过超声波方法制备纳米材料 ,达到了目前我们采用激光、紫外线照射和热电作用所无法实现的目标 ,具有很好的前景1.5超声波的特性及作用原理与可闻波相比 ,超声波由于频率高、波长短 ,在传播过程中具有许多特性:a、方向性好。由于超声波的功率高 ,其波长较同样介质中的声波波长短得多 ,衍射现象不明显 ,所以超声波的传播方向好。b、能量大。超声波在介质中传播时 ,当振幅相同时 ,振动频率越高能量越大。因此 ,它比普通声波具有大得多的能量。c、穿透能力强。超声波虽然在气体中衰减很强 ,但在固体和液体中衰减较弱。
24、在不透明的固体中 ,超声波能够穿透几十米的厚度 ,所以超声波在固体和液体中应用较广。d、引起空化作用。在液体中传播时 ,超声波与声波一样是一种疏密的振动波 ,液体时而受拉时而逐级压 ,产生近于真空或含少量气体的空穴。在声波压缩阶段 ,空穴被压缩直至崩溃。在空穴崩溃时产生放电和发光现象 ,这种现象称为空化作用。超声技术是一门以物理、电子、机械以及材料为基础的通用技术之一。目前 ,超声技术的应用已经深入到社会生活的各个领域。超声技术是通过声波的产生、传播及接收的物理过程而完成的 ,它的应用研究正是结合超声波之独有特性而展开的。1.6 发展历史 一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F.Ga
25、lton的气哨实验，这是人类首次有效产生的高频声波。在之后的三十年中，超声波仍然是一个鲜为人知的东西，由于当时电子技术发展缓慢，对超声波的研究造成了一定程度的影响。在第一次世界大战中，对超声波的研究逐渐受到重视。法国人Langevin使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。他提出的这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并进行水下通信4。1929年，Sokolov首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建议5。相隔2年，1931年Mulhauser获准一项关于超声检测方法的德国专利，不过他并未做更多的工作。4年之后，1934年sokolov首次发表了关于在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果
26、，他用了各种方法做了实验，用来检测穿过试件的超声能量，其中之一是用简单的光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹。德国人Bergrnann在他的论著uLTRAsoNIC中，详细的论述了有关超声波的大量早期资料，该论著一直被认为是该领域的经典之作6。美国的Firestone7和英国的sProulels首次介绍了脉冲回波探伤仪，使超声波检测技术发展到了更重要的阶段。在各种系统中，这是最成功的一种，因为它有最广泛的通用性，其检测结果也最容易解释。这种方法除可用于手工检测外，还可与采用先进技术的自动系统联用，自第一种脉冲回波仪器问世以来，根据相同的原理，有无数种其他仪器得到了发展，并有许多改进和精化。目
27、前，在超声无损检测中，脉冲回波系统仍是使用最为广泛的一种。HuaHong，wangYonghan9阐述了其所研究的一种调幅连续超声波大范围动态测距系统。该系统的测距原理是利用超声波传感器发射和接收调幅连续超声波，基于接收信号于发射信号之间的相位差和两传感器之间的正比关系，用相位差法测量传感器之间的动态距离。文中给出了设计原理、硬件实施和测量结果。实验结果表明，该系统在15m的测距精度可达到lmm。中国测试技术研究所的李茂山在超声波测距原理及实践技术0中阐述了用超声波在空气里传播速度为已知条件，测量超声波行进于待测距离所耗费时间的超声波测距原理。文中分析了声波的传输特性和影响声速的因素，给出了超
28、声波测距的框图。作者还进行了超声波测距误差源分析以及超声波测距仪的检验。浙江师范大学的李鸣华、余水宝利用单片机开发了一种超声波料位测量系统川。作者介绍了超声波料位测量的原理以及超声波料位测量仪的软硬件设计，硬件设计主要分为超声波信号的产生发射电路、信号接收处理电路、AT89C2051单片机控制电路等。作者还分析了造成料位测量误差的几点原因，并给出了几种方法来减少测量误差。比如:在计数电路设计中，采用了“延迟接收，信号分离”的技术和相关计数法减小了计数误差，对于声速的测量误差，使用温度补偿法，在软件设计中采用了查表的方法，由单片机实现自动补偿校正。文中的一些方法对于设计超声波测量系统来说具有一定
29、的参考价值。声速的测量在超声波测距中对提高超声波精度有重要的作用，超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因素有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。中国海洋大学的曹玉华在超声波测距系统设计及其在机器人模糊避障中的应用)2提出了采用温度补偿的方法测量声速，来提高超声波测距精度。文中温度检测部分采用了美国DALLAS半导体公司生产的可组网单线数字温度传感器DS18B20测量环境温度，用以温度补偿以修正超声波速度，来减小温度变化对距离测量精度的影响。该超声波测距装置在1.5m的测量范围内，测量误差小于5cm。山东科技大学的王红梅在高分辨力超声测距系统的研究)3中研究了己有超声波测距系统的优缺
30、点，采用超声波多次发射，以多次测量的平均值作为测量值的方法提高超声波测距精度，并使用了温度补偿声速的方法进一步提高了系统精度。为了提高仪器的分辨力，还采用了若干方法来减小随机误差。本文所设计的超声波测距系统在测量范围1cm一10cm，精度可达到0.5%，分辨率优于0.1mm。第二章 方案论证超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，并且没有显示，操作使用很不方便。本文介绍一种以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法
31、。实际使用证明该仪器工作稳定，性能良好。2.1超声波的定义波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式传播或传输到其他点上。声波是一种弹性机械波。人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz一20KHz，超声波是频率大于20KHz的机械波4。在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。2.2超声波的物理特性当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波;另一部分能量透射过分界面，在另一个介质内部继续传播，称为折射波，如图2.1所示
32、，图中L为入射波，S1为反射横波，L1为反射纵波，L2为折射纵波，S2为折射横波15。这些物理现象均遵守反射定律、折射定律。除了有纵波的反射波折射波以外，还有横波的反射和折射。因为声波是借助于传播介质中的质点运动而传播的，其传播方向与其振动方向一致，所以空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波。在理想介质中，超声波的波动方程描述方法与电磁波是类似的。描述简谐声波向X正方向传播的质点位移运动可表示为: （2.1） （2.2）式中，A(x)为振幅即质点的位移，为常数，为角频率，t为时间，x为传播距离，为波数，为波长，为衰减系数。衰减系数与声波所在介质和频率关系: （2.3）式(2.3)中为介质常数为振
33、动频率。2.2.1超声波的衰减从理论上讲，超声波衰减主要有三个方面16:(l)由声速扩展引起的衰减在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大，因此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。(2)由散射引起的衰减由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗不均，从而引起声的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变成热能，这种衰减称为散射衰减。(3)由介质的吸收引起的衰减超声波在介质中传播时，内于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成热能。同时，由于介
34、质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及由于分子驰豫造成的吸收，这些都是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。扩散衰减仅取决于波的几何形状而与传播介质的性质无关。对于大多数金属和固体介质来说，通常所说的超声波的衰减，即p(衰减系数)表征的衰减仅包括散射衰减和吸收衰减而不包括扩散衰减。因此，空气介质的衰减系数也由两部分组成，可由下式表: （2.4）式中：热传导系数 ：超声波频率 ：动力粘滞系数 C：超声波传播速度 ：定容比热 ：定压比热：传播介质密度式（2.4）中第一项是由内摩擦引起的衰减系数，第二项是由热传导引起的衰减系数，由于后者比前者小得多，故在忽略热传导引
35、起的超声波衰减的情况下，衰减系数可以由下式表示: （2.5）把代入式（2.5）可得： （2.6）由式（2.6）可知:温度一定时，R、T均一定，衰减系数与频率的平方成正比;频率越高，衰减的系数就越大，传播的距离也就越短。在实际应用中，一般选30-1OOKHz的超声波进行距离测量，比较典型的频率为4OKHz，本系统就选用频率f=4OKHz的超声波的传感器。2.2.2超声波的波型由于声源在介质中施力的方向与波在介质中传播的方向可以相同也可以不同，这就可产生不同类型的声波，超声波的波型主要有以下几种7:(l)纵波当介质中的质点振动方向和超声波传播方向相同时，此种超声波为纵波波型，以L表示。任何介质，当
36、其体积发生交替变化时均产生纵波。由于纵波的产生和接收都较容易，所以纵波在超声波检测中得到了广泛应用。(2)横波当介质中质点振动方向和超声波的传播方向垂直时，此种超声波为横波波形，以T表示。因为液体和气体中缺乏横向运动的弹性力，所以横波不能存在，只有纵波才能存在，但在固体中纵波和横波都能存在。(3)表面波瑞利于1887年首先研究和证实了表面波的存在，因此称为瑞利波，用字母R表示。表面波是沿着固体表面传播的具有纵波和横波双重性的波。其振动质点的轨迹为一椭圆，质点位移的长轴垂直于传播方向，质点位移的短轴平行于传播方向，随着深度增加很快衰减，离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅很微弱。表面波的传播
37、速度，只与介质的弹性性质有关，与频率无关。(4)板波板波亦称拉姆波，板波只产生在大约一个波长的薄板内，在板的两表面和中部都有质点的振动，声场遍及整个板的厚度。薄板两表面的质点振动是纵波和横波成分之和，运动轨迹为椭圆形，长轴于短轴的比例取决于材料的性质。板波可以分为对称型和非对称型两种。2.3发射脉冲波形超声测距常用的发射脉冲波形如图2-0所示有单个尖脉冲、衰减振荡脉冲、窄等幅波列脉冲和宽等幅波列脉冲。介质中超声波的衰减系数根据前面的分析可知是频率f的函数，因此发射的脉冲波中不同频率成分的波将以不同的群速度传播，这使得脉冲波形将随着传播距离的增大而发生畸变，并且这种畸变程度随距离的增加而变得显著
38、。在要求分辨力较高和盲区较短的超声测量技术中，一般使用宽度较窄的脉冲波。图2-0超声波测距常用波形2.4超声波测距原理超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。图2-1即为超声波测距的具体流程图。定时器显示器振荡器调制器接收检测器电声换能
39、器计时器控制电声换能器图2-1系统总体设计流程图表1 温度与声速的关系温度（）30 20100102030100声速（m/s）3133193253333383443493862.5测量与控制方法 声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体 阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。超声波传感器的结构如图2-2所示压电晶片电极共振板图2-2超声波传感器结构由于此超声波测距仪可以实现双向测距，所以需进行测距选择，而这个测距选择就
40、以自动选择功能来实现.2.6理论计算如图2-3 所示为反射时间 ，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的 时间来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间T 利用公式 其中，S 为被 测距离、V 为空气中声速、T 为回波时间，可以计算出路程，这种 方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以 克服。这样可以求出距离： T 2T 1图2-3 测距的原理本次设计是用555时基电路振荡产生40Hz的超声波信号。其振荡频率计算公式如下：2.7 影响精度的因素分析 1） 发射接收时间对测量精度的影响分析 采用 T
41、R40 压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制，发射频率 40KHz ，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。 设测量设备基准面距被测物距离为h，则空气中传播的超声波波动方程为：(1)由以上公式可知，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越快，但频率的增高有利于提高超声波的指向性。 经以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间
42、，会对超声波测量精度产生影响。 2）当地声速对测量精度的影响分析 当地声速对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响，即： (2)由上式知，在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。工程上常用的由气温估算当地声速的公式如下： (3)式中C0=331.4m/s ； T为绝对温度，单位K 。 此公式一般能为声速的换算提供较为准确的结果。实际情况下，温度每上升或者下降 1oC, 声速将增加或者减少 0.607m /s ，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。因此提高
43、超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。 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 ms(20室温)，忽略声速的传播误差。则测距误差st0.000 002 907 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1s的精度，因此系统采用AT89S5
44、1的定一时器能保证时间误差在1 mm的测量范围内。 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。由此可见，测量精度与温度有着直接的关系，本文采用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。2.8 提高精度的方案及系统设计 2.8.1温度校正的方法提高测距精度 由上述的误差分析知，如果能够知道当地温度，则可根据公式 求出当地声速，从而能够获得较高的测量精度。而问题的关键在于获得温度数据的方法。采用热敏电阻、热电耦、集成温度传感器都可以获得较为准确的温度值。 为了便于对温度信号的数据采集及处理，我们采
45、用 DALASS 公司生产的 DS18B20 集成温度传感器。 DS18B20 采用了 DALASS 公司的 1-WIRE 总线专利技术，能够仅在占用控制器一个 I/O 口的情况下工作（芯片可由数据线供电），极大的方便了使用者的调试使用，而且其在 10oC 85oC 的工作环境下可以保持 0.5% 的使用精度，在这个空间内足以保证为超声波测距设备提供足够的精度范围。 通过 DS18B20 芯片获得的数据信号经由 1-WIRE 总线传至 MCU ，由软件进行声速换算。为了更好的实现换算过程同时兼顾设备的使用成本，我们采用AT889C52 单片机实现超声波测距的各项功能。AT89C52采用了低成本
46、、低功耗、强抗干扰设计，并且在最高支持 48MHz 的前提下能够实现 1 个时钟 / 机械周期的运行速度。由于能够使用高频率的晶振，因此相对于普通单片机来说可以有效的减少由计时问题带来的量化误差，能够满足较高精度超声波测距仪的设计要求。 2.8.2标杆校正的方法提高测距精度 在复杂环境下，如果难于获得环境温度，或者不便获得环境温度时，如果仍旧要求较高的测量精度，我们采用所谓标杆校正的方法实现超声波测距精度的校正。标杆校正的示意图如图2-4 所示。T R 基平面（标杆）超声波测距装置被测物图2-4 标杆校正的示意图超声波测距装置首先测量距离已知为 h 的基平面（标杆）声波往返所用的时间，而后由测
47、得的时间和距离 h 根据公式 求出当地声速。通过这样的方法，我们也能够顺利的求出声速，省去了使用传感器测量温度所带来的麻烦。因此，只用为测距设备设定“标定”和“测量”两种状态，即能够实现温度校正所能实现的高精度测距功能。2.9 系统的工作原理 系统的工作是由软件和硬件的配合过程。先由微机使555使能端置1，继而555送出40kHz频率的方波信号经过压电换能器（超声波发射头）将信号发射出去及发射超声波,同时该时刻启动定时器开时计时。该信号遇到障碍物反射回来在此称为回波。同时,压电换能器（超声波接收头）将接收的回波及接收超声波,通过信号处理的检波放大，及通过两级放大后再送到比较器进行比较输出比较电压, 输出电压经过三极管以后，使之电压与AT89C52的I/O口相匹配最后送至微机处理。最后进行LCD液晶显示同时配上不同的
