簡(jiǎn)易測(cè)距裝置

摘要：設(shè)計(jì)中利用單片機(jī)C8051F020控制超聲波模塊測(cè)距，由MCU控制時(shí)間計(jì)數(shù)，計(jì)算超聲波從發(fā)射至接收的往返時(shí)間，從而算出實(shí)際距離。整個(gè)系統(tǒng)由超聲波收發(fā)單元、溫度測(cè)量單元、顯示單元和控制單元4個(gè)單元組成。軟件部分主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序等部分組成。設(shè)計(jì)給出了系統(tǒng)構(gòu)成、電路設(shè)計(jì)、程序編程，系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測(cè)距的準(zhǔn)確率高。

關(guān)鍵詞：超聲波   單片機(jī)  準(zhǔn)確度高

Abstract: the design of C8051F020 SCM control using ultrasonic ranging from MCU control time, count, the calculation to receive from the launch ultrasonic round-trip time, and get the actual distance. The whole system consists of ultrasonic transceiver unit, temperature measurement unit, display unit and control unit 4 unit. The main part of the main program software, ultrasonic happen subroutines, ultrasonic receiving interruption program and display subroutines components. Design gives the system structure, circuit design, programming, the system has the easy control, reliable working, ranging accuracy is high.

Keywords: ultrasonic single-chip microcomputer high accuracy

目錄

1、方案論證 3

1.1總體方案 3

1.2收發(fā)單元方案論證 3

2、硬件電路設(shè)計(jì) 4

2.1 Parallax 28015系列超聲波傳感器 4

2.2 單片機(jī)C8051F020 4

3、 理論分析 5

3.1超聲波測(cè)距的原理 5

3.2計(jì)算超聲波傳輸時(shí)間 5

4、 軟件設(shè)計(jì) 6

5、系統(tǒng)測(cè)試……………………………………………………7

5.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 7

5.2誤差分析  8

6、 總結(jié) 8

7、參考文獻(xiàn) 8

附錄一：元器件料表 9

附錄二：整體電路圖 10

1、方案論證

1.1總體方案

本文主要采用單片機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精確的超聲波測(cè)距方案，整個(gè)系統(tǒng)由超聲波收發(fā)單元、溫度測(cè)量單元、顯示單元和控制單元4個(gè)單元組成。其中，超聲波收發(fā)單元主要實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送和接收；溫度測(cè)量單元主要測(cè)量外界溫度，由于外界的溫度對(duì)超聲波的速度有影響，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，提高準(zhǔn)確度；顯示單元實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示；單片機(jī)為控制單元，完成指令發(fā)送，接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算等任務(wù)。

1.2總體方案論證

方案一：超聲波測(cè)距方案，超聲波測(cè)距儀是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來(lái)的特性進(jìn)行測(cè)量的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即中斷停止計(jì)時(shí)。 通過(guò)不斷檢測(cè)產(chǎn)生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射超聲波和接收到回波的時(shí)間差T，然后求出距離L。在計(jì)算精度和總體有效性、超聲波距離檢測(cè)方面占優(yōu)越,尤其相比與其他低成本的遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)。不適用于測(cè)量距離超過(guò)3米。

方案二：紅外測(cè)距方案，用調(diào)制的紅外光進(jìn)行精密測(cè)距的儀器，測(cè)程一般為1-5公里。利用的是紅外線傳播時(shí)的不擴(kuò)散原理 ：因?yàn)榧t外線在穿越其它物質(zhì)時(shí)折射率很小，所以長(zhǎng)距離的測(cè)距儀都會(huì)考慮紅外線，而紅外線的傳播是需要時(shí)間的，當(dāng)紅外線從測(cè)距儀發(fā)出碰到反射物被反射回來(lái)被測(cè)距儀接受到再根據(jù)紅外線從發(fā)出到被接受到的時(shí)間及紅外線的傳播速度就可以算出距離。紅外測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)是便宜，易制，安全，缺點(diǎn)是精度低，距離近，方向性差。

綜上所述，設(shè)計(jì)選用的是方案一，超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、技術(shù)難度小、信息處理簡(jiǎn)單可靠、易于小型化和集成化，最重要的是精度更高一些。

2、硬件電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)是由parallax  28015系列傳感器和單片機(jī)C8051F020構(gòu)成，由LCD-12864顯示。

2.1 Parallax 28015系列超聲波傳感器

此超聲波傳感器模塊是集發(fā)送與接收一體的一種傳感器。傳感器有三個(gè)引腳，一個(gè)為VDD,一個(gè)GND,一個(gè)控制端SIG，當(dāng)給控制端一個(gè)2us-5us的正脈沖，等待750us，再給SIG端一個(gè)高電平就開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波傳感器模塊就產(chǎn)生發(fā)射頻率為40kHz的超聲波，當(dāng)超聲波接收回波時(shí)，會(huì)把SIG端拉低，再停止計(jì)數(shù)，如果時(shí)間大于115us且小于18.5ms，就為超聲波測(cè)距工作正確。否則超聲波測(cè)距出錯(cuò)，就不計(jì)算，重新開(kāi)始發(fā)射，再判斷。此為超聲波傳感器模塊測(cè)距過(guò)程。

2.2 單片機(jī)C8051F020

本系統(tǒng)采用C8051F020來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)parallax 28015系列超聲波傳感器模塊的控制。單片機(jī)控制SIG端來(lái)控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)，當(dāng)SIG端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。然而超聲波的傳輸速度主要受溫度影響，因此我們利用單片機(jī)C8051F020進(jìn)行溫度補(bǔ)償，它內(nèi)部本身就有一個(gè)軟件編程的溫度傳感器，因此使電路簡(jiǎn)潔。

2.3液晶顯示部分　

3、理論分析

3.1超聲波測(cè)距的原理

超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即

其中D為傳感器與被測(cè)障礙物之間的距離，c為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率。在測(cè)距精度不是很高的情況下，一般認(rèn)為c為常數(shù)340m/s。

超聲波的傳播速度主要受空氣密度所的影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。溫度與超聲波的速度之間的近似公式為：

℃

4、軟件設(shè)計(jì)

5、系統(tǒng)調(diào)試
 超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試,中心頻率為40kHz,硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改成超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送到脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)量的范圍為20mm-3000mm，測(cè)距儀最大誤差不超過(guò)5mm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷有話系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。

5.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

　　由于受環(huán)境溫度、濕度的影響，超聲傳感器的測(cè)量值與實(shí)際值總有一些偏差，表1列出了本超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與對(duì)應(yīng)的實(shí)際值：

表1超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值 單位：mm

5.2誤差分析 

測(cè)距誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：(1)超聲波發(fā)射與接收探頭與被測(cè)點(diǎn)存在一定的角度，這個(gè)角度直接影響到測(cè)量距離的精確值;(2)超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過(guò)零點(diǎn)觸發(fā);(3)由于工具簡(jiǎn)陋，實(shí)際測(cè)量距離也有誤差。影響測(cè)量誤差的因素很多，還包括現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾、時(shí)基脈沖頻率等等。

6、總結(jié)

對(duì)所要求測(cè)量范圍30mm-3000mm內(nèi)的平面物體做了多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其最大誤差為5mm以?xún)?nèi)，且重復(fù)性好?；趩纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠、測(cè)量誤差小等特點(diǎn)。

7、參考文獻(xiàn)

[1].童詩(shī)白 華成英      《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》 清華大學(xué)電子學(xué)教研組 編

[2].李群芳 張士軍 黃建 《單片微型計(jì)算機(jī)》   電子工業(yè)出版社

[3].鮑可進(jìn)             《SOC單片機(jī)原理與應(yīng)用》 清華大學(xué)出版社              

附錄一：元器件料表

附錄二：整體電路圖