一种高精度超声波测距仪的设计与实现

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1、第10卷第30期2010年1O月科学技术与工程V0L10No．30Oct2010l671—1815(2010)30—7447·07ScienceTechnologyandEngineering@2010Sci．Tech．Engn~一种高精度超声波测距仪的设计与实现孙琳琳石飞飞(北京林业大学理学院，北京100083)摘要在传统超声波测距基础上，结合硬件和软件两方面的控制，提出一种高精度超声波测距系统。在超声波发射部分创新性地使用MAX232芯片，缩小盲区；在信号放大部分添加时间增益补偿(TGC)电路，有效地解决了远距离回波信号过于微

2、弱而导致系统测量量程减小的难题；在接收部分采用双电压比较器整形电路并结合软件设计纠正回波前沿的方法来提高测量精度。同时在硬件上增加温湿度传感器SHT11，采取声速预置和媒质温度测量相结合的办法对声速进行修正，实现实时声速测量的功能，以降低声速变化对测量的影响。实验表明，该测距仪的设计能够实现减小盲区，增大量程(2cm__4ITI)，量程范围内误差控制在6mm以内的高精度测距要求。关键词超声波测距系统发射部分接收部分时间增益电路(TGC)回波信号温度补偿中图法分类号IP274．53；文献标志码A随着计算机、自动化等技术的不断发展和广

3、波传播过程中遇到尺寸大于其波长的目标障碍物泛应用，测距问题显得越来越重要。于是，一种新时就会发生反射，反射波称为回声。假如超声波在的测距方式——超声波非接触式测距应运而生。介质中传播的速度是已知的，且超声波从声源到与激光、红外以及无线电测距方法相比，超声波达目标然后返回声源的时间t可测得，那么从声源测距具有不受外界光、电磁场等因素影响的优点，到目标的距离就可以计算出来。这就是本系统的在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且基本测量原理]，即：结构简单、成本低，因此在工业控制、建筑测量、机s=t(1)器人定位等方面得到了广泛的应用

4、[1]。但由于超而超声波在介质中的传播速度受温度影响，在声波传播时难于精确捕捉，以及声速受温度变化影响等因素，使得超声波测距的精度受到了很大空气中的其传播速度与环境温度的关系表达式为。，引：的影响。针对超声波测距的精度要求和盲区减小的需求，分析影响超声波测距精度的多种因素，结=331．45+0．607T(2)合硬件和软件两方面的控制，设计如下一种高精式(2)中：T为环境摄氏温度℃。将式(2)代人式度超声波测距仪来提高测距系统的精度和稳(1)便可计算出需要测量的距离。定性。2系统硬件设计1超声波测距原理针对温度变化和传播衰减对超声波

5、测量精度频率高于20kHz的声波称为超声波。当超声的影响，从硬件和软件两方面综合考虑，设计如图1所示的超声波测距系统J。2010年8月17日收到，8月24日修改该系统发射部分选用zT／R40—16分体式超声第一作者简介：孙琳琳，女，河北人，本科，研究方向：电子信息科学传感器，采用单片机产生标准40kHz方波，并通过与技术，E—mml：slinliny@sina．corn。MAX232的电荷汞放大信号，驱动超声波传感器。7448科学技术与工程1O卷接收部分由两级放大电路、时间增益电路和双电压图3为MX232与串行口、换能器、单片机I

6、／O比较器整形电路组成。最终利用液晶对测量结果口的连接图。JP6和JP7均接到上面时能够完成超进行显示。声波发射功能，均接到下面时能够完成PC—MCU通讯功能。丝220lUFDOWN]v∞lHeader2r～障碍物～鬻I≠CI+VwDDlI100nFI1．卜．}C12一+VCC—C14l1ICl61O0nFC2-下图1系统结构框图T111T1INT1aUT14UPRXT----oT2／TXD10：T2INT20UT：7DOWN厂rXD7oTX32．I电源部分RXDRloUTRlIN囊_千—--o---OR2OUTR2IN———9-

7、-O用BC807开关三极管结合软件控制构成程控l5----oGNDVEE_]⋯．『Il广一电源，为整个系统提供+5V工作电压。这样设计MAX232ACPElC17’D—C0nn,]P6#20UFJP7既可以减小功耗又可以降低干扰，从而提高测距仪的稳定性。电源电路图如图2。一!l1一I!SVCCCTRLVCC图3发射电路和下载电路2．3回波接收处理超声波接收传感器接收到回波后，输出的是微1oon广弱的mV级的电压信号，因此在接收部分中引入了．．L232PowerAGC自动增益补偿电路，将测距量程提高到4m，同时信号经运放放大后再经过

8、两个比较器，使得测距图2程控电源在(200)cm内的误差控制在6mm以内。2．3．1单电源交流放大电路2．2超声波发射、下载共用电路当运放用单电源供电时，交流信号的负半周会MAX232芯片是一款兼容RS232标准，采用泵截止，为此在运放的+端加上V