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
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。
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。
# u& A% `) d( p8 g$ K1 D' D# D% Y
[关键词]超声波测距单片机温度传感器

随着社会的发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高。
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
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
试，并可以进行详尽的误差分析。
一，设计原理
/ \; R0 t+ U& K! t: j1 s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
5 y3 n: N# k* q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
$ ?7 P/ A* Q! E8 v' w& P) f3 @; w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
8 O7 p$ e5 |/ E式中L一要测的距离
; T- Z' S+ R0 S, c: }7 b$ N, \T一发射波和反射波之间的时间间隔
C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。
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%。
9 H$ j% J: d" U+ n' p' N: A三，数据测量和分析
1.数据测量与分析
8 W- e! P/ O4 }5 G# S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
6 K& e, v5 U3 q* u6 g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。
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
% e: i' G% w% y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,
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
6 }* D0 @6 b3 v7 u, ?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
5 ^- ?, B' a. ~' \# Q$ n7 F5 R9 H1 [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
; J! p% ~, ]' K" `6 o5%和4.8%:但从全部测量结果看.本设计的绝对误差都比较
/ u4 T6 h5 N3 W* j) Y6 A/ a' |* \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:
0 s( ~, @' g5 P$ ~- g(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
1 {$ _2 v* H8 a3 F' [$ v$ m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
: |! g; y: Q' y' j5 X3 B/ Z2 S+ N, 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:
2 I+ i0 O& j8 s5 |8 v四，应用分析
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
  F2 \( W( J  \; P* X% c- A4 m5 W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
, C8 M- y1 H  B% P3 B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
: j) e4 X. @* C- k. Q; x有一定的适应能力。因此,用途极度广泛。例如:测绘地形图.建
6 D" w" [) i! }造房屋、桥梁.道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面
  A% E9 c' r, A( y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
2 m# u' \8 p% X  M* k. b器造价比光波测距仪低，省力.操作方便。
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
* G- t+ L3 A# q& ~7 C* H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
. @* i3 F: U  f. k4 x. }( R0 Y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
3 X; L# Q7 q' g& e! V. C多优势。因此.本课题的研究是非常有实用和商业价值。
+ m$ J. ~% [& O) M7 f8 }五，结论
' u1 |9 \6 x; k7 \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
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
# C+ D" f5 h3 Q2 |9 v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
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
6 ~, S: h+ v: V5 J1 T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