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1、第16卷第1期山东交通学院学报Vol.16No.12008年3月JOURNALOFSHANDONGJIAOTONGUNIVERSITYMar.2008基于C8051F020单片机的超声测距仪设计李玉滨,孙皓(山东科技大学信息与电气工程学院,山东青岛266510)摘要:提出了一种基于C8051F020单片机的超声测距仪的设计方法。采用了检测峰值时间的方法,将回波的峰值时间作为超声传播时间并辅助以软件修正,提高了测距的精度;在计算上,考虑了温度对声速的影响,取得了比较好的效果。关键词:超声;测距仪;C8051F020中图分类号:TH7
2、61.2文献标识码:A文章编号:1672-0032(2008)01-0069-04超声波测距作为一种典型的非接触测量方法,在很多场合得到了广泛的应用,如工业自动控制、建筑工程测量和机器视觉识别等。然而在实际应用中,由于环境变化和测量方法的不同,一定程度上影响了超声波测距的精度。本文从温度补偿、提高计时精度等方面设计了一种超声测距系统,提高了系统的精度,具有较高的应用价值。1超声测距基本原理超声波测距仪的基本工作原理是由仪器发出一束超声波,遇到障碍物反射,再由仪器测量该超声波在空气中的传播时间,由超声波传播时间和传播速度来确定距离障
3、碍物的距离,即所谓的脉冲—回波方式,如图1所示。假设从仪器发射超声波到接收到回波的时间是t,超声波在介质中的传播速度是c,则待测的距离为图1测距原理图L=ct/2.在利用超声波测量距离的过程中,影响测距精度的因素主要有:一是不能精确测量回波到达时刻。超声波在空气中衰减极大,随着测量距离的增大,回波信号的变化范围也很大,设定检测回波阈值的方法有较大的误差;二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽,影响了测距的分辨率,尤其对近距离的测量造成[1]较大的影响;再就是环境温度也会对测量造成一定的影响,环境温度与超声波在介质中传播速度的关
4、系为1/2c=331.45(1+T/273.16),式中T为绝对温度,K。在一些对测量精度要求较高的场合,这些因素都限制了超声波测距仪的应用。如何解决这些问题,提高超声波测距的精度,具有较大的现实意义。2系统硬件设计2.1系统组成该超声测距仪系统框图如图2所示,系统选用C8051F系列单片机作为主控制器,该单片机是完全集收稿日期:2008-01-03作者简介:李玉滨(1982-),男,山东青岛人,山东科技大学硕士研究生,主要从事仪器仪表方面的研究.©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPu
5、blishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net70山东交通学院学报2008年3月第16卷成的混合信号系统级MCU芯片,具有高速流水线结构的8051兼容的CIP-51核,64K字节可在系统编程的FLASH存储器,4352字节的片内RAM,5个通用定时/计时器,片内看门狗,VDD监视器,片内集成模数、数模转换,集成温度传感器等,因此可简化外部电路结构,降低系统功耗,提高抗干扰能力。2.2超声发射驱动及接收电路原理图2系统框图本系统的发射及接收电路如图3所示。其工作原理是:由C80
6、61F单片机产生的40kHz的脉冲信号经P1.0引脚输出,为提高驱动能力,选用5kΩ电阻作为上拉电阻,驱动晶体管BG1,再由它驱动VMOS功率型场效应管,E2选用25V直流电压。当单片机P110口输出高电平时,BG1导通,集电极为低电平使BG2截止,电源E2通过R4对超声换能器充电至最高电压,使之保持在最大变形状态。发射超声波时,单片机输出低电平,使BG1截止、BG2导通,超声换能器通过BG2[2]放电产生超声波发射出去。当此脉冲信号遇到障碍物返回时,超声换能器接受这一微弱信号并转变为电信号,后续放大图3超声发射接收原理图电路进行
7、放大,由于超声换能器具有很高的阻[3]抗,因此采用高输入阻抗的MOS管作为前置放大器。信号经过前置放大电路后进入带通滤波电路,目的是进一步放大有用信号,滤除干扰。并联的2个二极管D1,D2对后续的前置放大器起嵌位作用,使其最大电压不超过0.7V。2.3AGC电路超声波在空气中传播时,声强会随传播距离的增加而减小,造成超声波衰减的因素是声束本身的扩[4]散以及由于反射、散射等原因造成的声强度减弱。其衰减是按指数规律变化,可表示为-αxI=I0e,式中α为空气对超声波的衰减系数;I0为超声波发射时的声强;x为超声波在介质中传播的距离。
8、经过试验可知,本装置的超声换能器近距离测量时(0.5m左右),输出约为200mV;较远距离时(8m),输出为1mV。为了得到一个比较稳定的输出信号,信号处理末级采用了可变增益放大器,由单片机控制,随超声传播时间的增大,逐渐提高放大倍数。可变增益放大
