文献翻译-高精度超声波测距系统

东北石油大学本科生毕业设计（外文文献翻译）1高精度超声波测距系统张平，郭辉中国，成都，中国电子科技大学，机电工程学院611731电子邮件：[e-mail]摘要超声波很容易传输，并具有良好的反射性。它的速度是远远低于飞行速度。因此，本文设计了一种基于STC89C52RC的超声波测距系统。这种系统的有效范围约为372厘米。经过反复试验，测量误差可以小于1厘米。因此，本系统可以应用到智能回避及车辆运输和其他系统。关键词：单片机；超声波发送接收范围；温度补偿1．简介目前，超声波测距的主要方法包括脉冲回波法，相位调制，频率调制和FFT为基础的方法。在这些方法中，脉冲回波方法具有良好的适应性，这种方法不仅可以用于手动测试，也可以用于自动化系统。所以它是国内外最常使用的一种方法。如今，微波和激光测距的理论也已应用于超声波测距系统。它会成为一个很好的研究方向。另一方面，回波信号的滤波和分析也受到越来越受到许多专家和学者的重视。随着对超声波理论的深层理解，我们知道了如何改善的精度和抗干扰能力将是最重要的性能指标。在本文中，整个系统是用脉冲回波理论来设计的。下面的内容主要分为三个部分：第一部分描述了该系统的硬件体系结构；第二部分介绍了该系统的软件处理；第三部分介绍了数据处理的技术。通过本篇文章，读者可以该系统有一个全面的了解。2．超声波测距的原理系统考虑到实际项目的要求，我们选择了超声波，其频率为40kHz。超声波传感器是一种可以转换声音信号和电信号的装置，也被称为超声波换能器或超声波探头。在一定的频率范围内，它可以把电信号转换成超声波信号，也可以把外部的超声东北石油大学本科生毕业设计（外文文献翻译）2波信号转换成电信号。在本文中，我们选择了T/R40-12压电超声换能器。它的工作频率为40kHz，外部直径为12cm。超声波发生器在某一时间发出的超声波信号，经被测物体反射后被超声波接收器接收。只要我们记录的发送和接收的时间间隔，就可以计算出测量装置到被测物体间的距离。用于计算距离的公式是：D=S/2=V×T/2(1)D是测距装置与被测物体之间的距离。S是超声波飞行的长度。V是超声波的速度。T是超声波飞行的时间。由于超声波是一种声波，速度可受温度的影响。因此，在本文中，采用了温度补偿的方法提高系统的精度。3．系统的硬件超声波测距系统的系统框图如图1。该系统的硬件主要包括单片机，显示电路，温度补偿电路和超声波的发送和接收电路。图1系统方框图3.1超声波发生电路超声波发生器的原理图如图2。发送电路主要包括逆变器和超声波换能器。首先把单片机P1.0端口反转，连接到超声波换能器的一极，然后再次反转，连接到的超声波换能器的另一极。通过推挽法，我们可以改进超声波的发射强度。并联逆变器，可以增加驱动能力的输出。用这种方法不仅增加了上拉电阻R1和R2输出高电平的驱动能力，而且也增加了换能器的阻尼效应，并缩短了其自由震荡时间。图2超声波发生器的电路3.2超声波接收电路超声波接收电路的原理图如图3，CX20106的专用集成电路一般用于检测红外线，考虑到CX20106的承载频率为38kHz,非常接近超声波的频率，我们设计的超被测物体超声波发生器超声波接收器外部电路单片机LED显示屏温度补偿电路东北石油大学本科生毕业设计（外文文献翻译）3声波接收电路就是基于CX20106芯片制作的。图3超声波接收电路3.3单片机和显示电路该测距系统的核心是STC89C52RC单片机通过使用12MHz晶体振荡器，以获得更稳定的时钟频率来减少误差。该单片机的P1.0端口输出的是超声波换能器所需要的40kHz方波，外部中断0用于监视返回的信号，而显示设备则用了四位共阳极LED，简单实用。段代码通过74LS245来驱动，而位代码通过9012晶体管来驱动。原理图如图4。图4单片机和显示电路3.4温度补偿电路在超声波测距系统中，许多因素都可以影响的速度，如环境的干扰，基本脉冲的频率等。但环境温度是主要因素。根据公式（2），我们可以看到当温度从0到40之间变化时，超声波的速度从331.4m/s变为了354.85m/s。室温以20为基数，这时的速度为343.32m/s,其变化率为6.83％，所以温度因素不能被忽略。在夏季，气温经常超过40℃。因此，在超声波测距系统中，有必要用温度补偿来减少误差。现在大多数的温度监测系统用的是温度传感器。首先，我们要将温度信号转换成电信号，然后，我们把电信号放大，最后，我们用A/D转换器把模拟信号转换成数字信号。这种电路很复杂，并且很容易受到组件参数的影响。由于这些原因，本文采用DS18B20温度传感器和单片机设计这种高精度的温度测量系统，它可以在一定程度上提高测量的精确度。DS18B20的DQ端口可以直接连接到单片机的P3.7端口。原理图如图5。东北石油大学本科生毕业设计（外文文献翻译）4图5温度补偿电路DS18B20是美国最新的数字温度传感器。它与传统的热敏电阻温度传感器不同。我们可以直接读取其测得的温度值。根据实际的需求，我们可以通过简单的编程实现9位或10位A/D转换。因此，DS18B20可以使系统具有更简单的结构和更高的可靠性。测量温度后，我们用下列公式来修正超声波的速度：V（T）=（331.05+0.607T）（m/s）（2）在上述公式中，T是环境的摄氏温度（℃）。4．系统编程超声波测距系统的程序，主要包括主程序，超声波发生程序，超声波接收程序，温度补偿程序和显示程序。一方面，汇编语言是高效方便的语言。另一方面，测距程序不仅需要复杂的计算，也需要一个精确的结果。所以我们选择汇编语言来设计这个系统。4.1主程序主程序首先初始化系统环境，设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。使用的DS18B20测量出温度值后，用温度补偿程序修改声音速。此时，它开始调用发送程序，为了避免声音从发射器直接传输到接收器，它需要一个约0.1ms的延迟（因为这是可以测量最小距离），然后启用外部中断0接收返回信号。由于使用12MHz晶体振荡器，定时器增加1，间隔为1us，当主程序检测到的标志是成功的，它根据定时器T0开始计算的距离，其结果将被发送到LED进行显示。然后，只需重复此处理。主程序流程图如图6所示。东北石油大学本科生毕业设计（外文文献翻译）5图6主程序流程图4.2发送程序和接收程序发送程序的作用是通过P1.0端口发送两个超声波脉冲（约40kHz的方波），脉冲宽度约为12us。与此同时，定时器T0开始计时,本系统利用外部中断0检测回声。一旦接收到回波（引脚INT0出现低电平），则立即进入中断程序，然后停止定时器T0并设置成功标志。如果未检测到回波，定时器将溢出，溢出的定时器T0中断将关闭外部中断0。同时，它会清除成功标志。这意味着，该次测距处理失败。4.3温度补偿程序和显示程序根据检测到的实时温度，并通过代入公式（2）计算出声音的速度。显示程序通过查表的方式显示出距离5．数据处理不仅电路在处理信号时会产生一个固定的延迟时间Δt,而且在单片机处理收集的信号时也会产生一个固定的延迟时间Δt。上述两个过程必然会导致一定的测量误差，但此系统会修改延迟来减少测距误差。假设，S1和S2是两个固定的距离。t1，t2分别对应于这两个固定的距离（包括系数Δt）。因此，S1和S2是实际上对应于时间t1-Δt和t2-Δt,也就是说S1=0.5V(t1-Δt),S2=0.5V(t2-Δt),可以计算出：122112tSStStSΔ（3）经过多次测量，我们可以计算出系统的延迟Δt。根据式（1），我们可确定测得的距离，该处理可以在一定程度上降低了系统的错误。东北石油大学本科生毕业设计（外文文献翻译）66．实际测量和分析测量数据见表7。表7实际测量数据（单位：cm）实验数据表明：超声波测距系统的盲点（超声波传感器可以检测到的最小距离）为25cm，最大距离为372厘米。在设计程序时，为了避免声波从发射器直接传输到超声的接收器，该程序有一个1.4ms延迟，所以超声波测距系统有一个最小距离。由于超声波的传播可能造成一定的衰减而且发射功率是有限的，它是很难检测长时间的回波，所以会有最大的可测距离。另一方面，温度补偿可以提高测量精度。7．结论在本文中，利用超声波的反射特性，我们设计了这种基于STC89C52RC的测距系统。它非接触式测量的有效范围是从25厘米至372厘米。当环境变化时，温度补偿电路会提高它的测量精度。修改系统延迟后，可以降低系统延迟的测量误差并且精度有明显的提高。实验结果证实该系统的硬件和软件都很合理。该测距系统可靠而稳定，它完全能够满足许多高精度的场合，如液位测量，机器人定位等。实际距离5101520253035显示距离25252525263135实际距离350355360365372380385显示距离3513563613663742525东北石油大学本科生毕业设计（外文文献翻译）7致谢首先，我要感谢IEEE提供此模板，其次，我要感谢我的老师郭先生，最后同样重要的，我们衷心感谢所有提供技术支持的同事。东北石油大学本科生毕业设计（外文文献翻译）8参考文献[1]王爱珍．基于单片机的超声波测距系统的设计与实现[J]．忻州师范学院学报．2010,26(2)：44-46．[2]康雅萍，刘震宇，郭鑫等．高精度超声波测距系统的设计[J]．实验技术与管理．2010,27(3)：61-64．[3]王振江，苏新彦，韩跃平．基于AT89C51的高精度超声波测距系统[J]．传感器技术与应用．2010(1)：21-24．[4]韩丽茹．提高超声波测距精度方法综述[J]．电讯技术．2010,50（9）：132-136．东北石油大学本科生毕业设计（外文文献翻译）9作者简介张平，1986年出生于中国湖南。他于2009年获得中国吉首大学的工程学士学位。现在，他是中国电子科技大学机电工程系的一名研究生。他的研究领域包括集成电路和电子设计自动化。郭辉在华北电力大学获得硕士学位，在南京大学获航空航天专业博士学位。他在南京大学做博士｜后工作研究方向是机电一体化。