超声波测距仪设计及其应用分析

刘工在呢

[摘要]本文利用超声波传输中距离与时间的关系，采用AT89C51 单片机进行控制及数据处理，设计出了能精确測量两点间距
! h- m5 n( j- D% _. y+ Y  z( g离的超声波测距仪。该测距仪主要由超卢波发射器电路、超声波接收器电路、单片机控制电路、环境溫度检测电路及显示电路构成。
9 K& H2 y% c& c; l2 X# C利用所设计出的超声波测距仪，对不同距离进行了测试，并进行了详尽的误差分析。
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: f. f. B  U* _# Y[关键词]超声波测距单片机温度传感器
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随着社会的发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高。
. C% G0 X! k8 h超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度.越来越
( g4 Q- x) l1 n: \, ]9 }$ _3 M3 O被人们所重视。本设计的超声波测距仪，可以对不同距离进行测
; }6 n/ h4 s) o0 F; T8 w; K试，并可以进行详尽的误差分析。
4 x  o6 ]! ~, u- B; p一，设计原理
! A$ p+ w+ r3 p4 I9 d超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测
量的。超声波发射器向某一-方向发射超声波.在发射同时开始计
时，超声波在空气中传播.途中碰到障碍物就立即返回来,超声
波接收器收到反射波就立即中断停止计时。通过不断检测产生波
发射后遇到障碍物所反射的回波.从而测出发射超声波和接收到
回波的时间差T.然后求出距离L,基本的测距公式为: L=(△t/
2)*C
2 Z" Q' A! o1 T式中L一要测的距离
T一发射波和反射波之间的时间间隔
$ M% l8 ~: R4 W' J1 CC一超声波在空气中的声速， 常温下取为340m/s
声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。
. M: l0 {* @  k2 }  n. \二.超声波测距仪设计目标
测量距离:5米的范围之内:通过LED能够正确显示出两点间
的距离:误差小于5%。
- V3 a. s& _. G8 s三，数据测量和分析
1.数据测量与分析
由于实际测量工作的局限性.最后在测量中选取了一米以下
3 \! u7 }$ B1 r* E  _" f的30cm.50cm. 70cm. 80cm. 90cm. 100cm 六个距离进行测量.
每个距离连续测量七次、得出测量数据(温度:29'C ),如表所示。
  F9 q3 _7 N6 y2 r从表中的数据可以看出，测量值一般都比实际值要大几厘米.但
8 j+ S2 f2 \9 c对于连续测量的准确性还是比较高的。
对所测的每组数据去掉一个最大值和最小值.再求其平均值,
: ]  U( M1 w6 ^* q) w9 N用来作为最终的测量数据.最后进行比较分析。这样处理数据也
) X/ J; Q& y& j" V7 j3 r  H具有一定的科学性和合理性。从表中的数据来看.虽然对超声波
进行了温度补偿,但在比较近的距离的测量中其相对误差也比较
大。特别是对30cm和50cm的距离测量上.相对误差分别达到了
6 M0 M( U( M2 F- _1 m0 H( a5 h5%和4.8%:但从全部测量结果看.本设计的绝对误差都比较
& c9 W1 a: |& O. p1 c8 q; o0 [小,也比较稳定。本设计盲区在22.6cm左右,基本满足设计要求。
2.误差分析
测距误差主要来源于以下几个方面:
(1)超声波发射与接收探头与被测点存在一定的角度. 这个角
0 ?0 j2 u& [2 n5 u( i度直接影响到测量距离的精确值; (2)超声波回波声强与待测距离
的远近有直接关系，所以实际测量时.不一-定是第-个回波的过
# [- H3 H* ^+ B+ L# V( U零点触发: (3)由于工具简陋.实际测量距离也有误差。影响测量
误差的因素很多,还包括现场环境干扰、时基脉冲频率等等:
+ Z6 D, N2 o4 j. L% f* g0 m& i四，应用分析
# I9 @# c, W1 x: w( f9 [6 I采用超声波测量大气中的地面距离.是近代电子技术发展才
获得正式应用的技术，由于超声测距是一种非接触检测技术,不
受光线、被测对象颜色等的影响,在较恶劣的环境(如含粉尘)具
有一定的适应能力。因此,用途极度广泛。例如:测绘地形图.建
造房屋、桥梁.道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面
距离的方法，是利用光电技术实现的.超声测距仪的优点是:仪
器造价比光波测距仪低，省力.操作方便。
1 ?& c" U" ^& V7 t& E超声测距仪在先进的机器人技术，上也有应用，把超声波源安
装在机器人身上,由它不断向周围发射超声波并且同时接收由障
碍物反射回波来确定机器人的自身位置.用它作为传感器控制机
器人的电脑等等。由于超声波易于定向发射,方向性好，强度好
3 Q. H1 F7 I3 h: J/ A控制，它的应用价值己被普遍重视。
总之,由以上分析可看出利用超声波测距,在许多方面有很
多优势。因此.本课题的研究是非常有实用和商业价值。
% r; Y- ^- u! o1 g0 u五，结论
本设计的测量距离符合市场要求,测量的盲区也控制在23cm
以内。针对市场需求，本设计还可以加大发射功率.让测量的距
* e4 U, `* }' H( t: i离更加的远。在显示方面，也可以对程序做适当改动.使开始发
& B3 f* d6 ?# S8 c, r射超声波时LED显示出温度值.到超声波回波接收到以后通过计
  `! A6 M- \+ ?8 A4 {6 Q  C( o算得出距离值时，LED自动切换显示距离值，这样在视觉效果. 上
  M$ P2 q( T  E0 n, r得到更加直观的了解。


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采用AT89C51 单片机进行控制及数据处理