基于單片機帶溫度補償的超聲波測距儀設計

超聲波具有指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠等優(yōu)點(diǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如物位測量?jì)x和測距儀等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現。利用超聲波檢測比較快速、方便、計算簡(jiǎn)單、易于實(shí)時(shí)控制，并在測量精度方面能達到工業(yè)實(shí)用的要求，性?xún)r(jià)比較高。因此在液位、井深、管道長(cháng)度的測量、移動(dòng)機器人定位和避障等領(lǐng)域得到了廣泛應用。

本設計以脈沖回波法的超聲波測距原理為依據，AT89S52單片機作為控制核心，結合超聲波發(fā)送和接收模塊HY—SRF05，實(shí)時(shí)LCD顯示。系統采用DS18B20溫度傳感器，把溫度值的變化補償到超聲波的波速中，從而提高超聲波測距儀的精度，降低溫度對測距結果的影響。

1 超聲波測距原理

超聲波測距的原理是通過(guò)超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據接收器接到超聲波時(shí)的時(shí)間差就可判斷出距離，這與雷達測距原理相似。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物則立即返回，超聲波接收器收到反射波則停止計時(shí)。

根據計時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離

d=s/2=(V×t)/2 (1)

V=331.4+0.61T (2)

其中，s是超聲波往返通過(guò)的路程;V為超聲波介質(zhì)中傳播速度;T為實(shí)際溫度。所以超聲波傳播速度和溫度密切相關(guān)，由此可見(jiàn)溫度對于超聲波測距系統的影響是不可忽略的。

2 系統硬件設計

該系統由5部分組成，以AT89S52單片機作為控制核心，溫度傳感器DS18B20用于溫度的采集，LCD用于顯示實(shí)時(shí)溫度和障礙物的距離，超聲波傳感器HC-SRF05用于超聲波的發(fā)送和接收。系統整體結構框圖如圖2所示。

2.1 超聲波傳感器

超聲波傳感器HC-SRF05集超聲波的發(fā)送和接收功能于一體，可提供2～450 cm的非接觸式距離感測功能。圖3是HC—SRF05的實(shí)物圖，圖4是超聲波模塊電路圖。1腳為5 V電源端;2腳為觸發(fā)控制的信號輸入端，與單片機的P3.7口相連;3腳為回響信號輸出，與單片機P3.2口相連;4腳接地;5腳為開(kāi)關(guān)量輸出。

P3.7口向觸發(fā)引腳發(fā)送≥10μs的脈沖觸發(fā)信號，該模塊內部將發(fā)出8個(gè)40 kHz周期電平并檢測回波，一旦檢測到有回波信號，則3腳輸出回響信號，所測的距離與回響信號的脈沖寬度成正比，由此可通過(guò)發(fā)射信號到收到回響信號的時(shí)間間隔計算得到距離。超聲波時(shí)序圖如圖5所示。

2.2 溫度傳感器DS18B20

由于聲音的速度在不同的溫度下有所不同，因此為提高精度，應通過(guò)溫度補償對超聲波的傳播速度進(jìn)行校正。系統采用DS18B20傳感器測量溫度，DS18B20溫度傳感器具有不受外界干擾、精度高、測溫范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。檢測電路如圖6所示，單片機P3.7口接DS18B20數據總線(xiàn)，控制DS18B20進(jìn)行溫度轉換和傳輸數據，數據總線(xiàn)接10 kΩ的上拉電阻，作用是使總線(xiàn)控制器在溫度轉換期間無(wú)需一直保持高電平。

2.3 LCD顯示模塊

LCD1602具有超薄、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于低功耗電子產(chǎn)品和智能儀表中。LCD顯示電路如圖7所示，3腳VL為對比度調整端，使用時(shí)通過(guò)接一個(gè)10 kΩ的電阻來(lái)調節。4腳RS為寄存器選擇信號線(xiàn)，H為數據選擇，L為指令選擇，接單片機的P1.0口。5腳RW為讀寫(xiě)信號線(xiàn)，接單片機的P1.1口。6腳E為使能端，當E由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)執行命令，接單片機的P1.2口，8位數據線(xiàn)D0～D7，接單片機的P0口。

3 系統軟件設計

3.1 主程序設計

系統軟件采用模塊化設計，系統初始化部分包括引腳的定義、中斷和定時(shí)器的設置等，進(jìn)而調用溫度檢測子程序，根據溫度值對超聲波速度進(jìn)行校準，最終根據回波信號計算距離并顯示，主程序流程如圖8所示。

3.2 超聲波測距子程序

超聲波發(fā)送子程序采用定時(shí)器T0中斷的方式由單片機P3.7引腳發(fā)送觸發(fā)脈沖，由單片機P3.2引腳利用定時(shí)器T1來(lái)對回波信號進(jìn)行檢測計時(shí)，初始化T1后檢測等待回波信號的到來(lái)，當信號由低變高后定時(shí)器T1開(kāi)始計時(shí)，直到信號由高到低計時(shí)結束，根據溫度校準后的超聲波速度計算障礙物的距離，超聲波測距流程如圖9所示。

4 實(shí)驗結果

硬件電路如圖10所示，經(jīng)過(guò)試驗采集的數據如表1所示。由表1數據可看出，當測量范圍在30～150 mm之間時(shí)，誤差相對較小，此范圍之外誤差較大。

5 結束語(yǔ)

本系統通過(guò)引入DS18B20，使超聲波測距系統的測量精度有了較大的提高。該系統具有結構簡(jiǎn)單、帶溫度補償、實(shí)時(shí)LCD顯示和報警等優(yōu)點(diǎn)，并有一定的實(shí)用價(jià)值。