基于AT89C51单片机的超声波测距系统设计.pdf

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1、基于AT89C51单片机的超声波测距系统设计 Ultrasonic Distance Testing Systems Design Based on AT89C51 Single-chip Microcomputer 戴曰章 吴志勇 (潍坊学院信息与控制工程系,山东 潍坊261061) 摘 要:本文介绍一种基于AT89C51单片机的超声波测距系统,阐述了超声测距系统的构成、 工作原理,给出了硬件电路框图和软件编 程的设计方法。该系统具有硬件结构简单、 工作可靠、 测量误差小等特点。 关键词:单片机;传感器;超声波测距 超声波由于其指向性强、 能量消耗缓慢、 传播距离较 远等优点,而经常用于距离

2、的测量,如测距仪和物位测量 仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距主要应用于 倒车雷达、 建筑施工工地以及一些工业现场,例如:液位、 井深、 管道长度等场合。利用超声波检测往往比较迅速、 方便、 计算简单、 易于做到实时控制,并且在测量精度方 面能达到工业实用的要求,因此在测控系统的研制上也 得到了广泛的应用。本文介绍一种以AT89C51单片机 为核心的低成本、 高精度、 微型化数字显示超声波测距仪 的硬件电路和软件设计方法。 1 超声波测距原理 1. 1 超声波发生器 超声波是一种频率超过 20kHz的机械波。为了研究 和利用超声波,人们已经设计 和制成了许多超声波发生器。 总体上讲,超声波

3、发生器可以 分为两大类:一类是用电气方式产生超声波,一类是用机 械方式产生超声波。电气方式包括压电型、 磁致伸缩型 和电动型等;机械方式有加尔统笛、 液哨和气流旋笛等。 它们所产生的超声波的频率、 功率和声波特性各不相同, 因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波 发生器。 1. 2 压电式超声波发生器原理 图1 超声波传感器结构 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振 来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示,它有两 个压电晶片和一个共振板。发射超声波时,压电传感器 中的压电晶片受发射电脉冲激励后产生共振,并带动共 振板振动,便产生超声波。接收超声波时,两电极间未外 加电,共振

4、波接收到超声波,将压迫压电晶片作振动将机 械能转换为电信号。 1. 3 超声波测距原理 超声测距从原理上可分为共振式、 脉冲反射式两种。 由于共振法的应用要求复杂,在这里使用脉冲反射式。 超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超 声波,在发射时刻的同时开始计时,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 射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 C ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差 t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即: S=Ct/ 2。这就是所谓的时间差测距法。由于超声波也是一种 声波,其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度

5、 下的声速。在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速 是基本不变的。如果测距精度要求很高,则应通过温度 补偿的方法加以校正。 表1 声速于温度关系表 温度()- 30- 20- 100102030100 声速(米/秒)313319325323338344349386 声速确定后,只要测得超声波往返的时间,即可求得 距离。这就是超声波测距系统的机理。 2 系统硬件电路设计 图2 超声波测距系统框图 ATMEL公司的AT89C51单片机,是一种低功耗、 高性能的、 片内含有4KB Flash ROM的8位CMOS单片 机,工作电压范围为2. 7 6V ( 实际使用+ 5V供电 ) ,8 戴曰章等:

6、基于AT89C51单片机的超声波测距系统设计 17 位数据总线。它有一个可编程的全双工串行通信接口, 能同时进行串行发送和接收。通过RXD引脚(串行数据 接收端)和TXD引脚(串行数据发送端)与外界进行通 信。本超声波测距系统以的AT89C51为中央处理器, 其系统原理框图如图2所示。 系统上电工作后,由脉冲发生器发出以脉冲信号,该 脉冲信号一方面通过驱动的电路推动脉冲发生器发出超 声波脉冲,另一方面,触发AT89C51内部定时器 T1 ( 由 外部中断INT0实现)开始定时;同时由AT89C51控制 按时间自动改变放大其增益,即按发射波未到达接收器 的传播时间逐渐增大放大器增益。接收到的超身

7、回波经 过发大、 滤波后,一是直接送给鉴幅器,二是经峰值保持 电路提取回波峰值作为阈值的基准信息。AT89C51通 过ADC0809采样回波峰值,经过软件加权处理后作为鉴 别阈值,再经过DAC0832送给鉴幅器。当回波包络中某 个波被鉴别出来时,则立即触发外部中断INT1关闭定 时器T1 ,同时,P1. 1设置检测窗口;由T0计数器窗口内 鉴别回波个数n ,根据n确定下次鉴别给定值的大小,闭 环控制至n5为止。然后从补偿值表中取出与n对应 的补偿值,对T1的计时时间(实际上这是从发射超身波 到接收到第一个鉴别回波之间的计数值,计数周期为 1us ,12M晶振)进行修正,获得超声波实际的往复传播

8、时 间,再通过3字节浮点运算求出距离,由AT89C51串行 通信口送LED显示。本系统每隔5s采样一次环境温 度,以修正声速,所以在系统还可以加入温度传感器来监 测环境温度,把表1所列的数据做到程序中可进行温度 补偿。 3 补偿及测距原理 图3 鉴别回波的提取与补偿时间表示 1.超声回波2.鉴别阈值3.鉴别窗口4.鉴别回波 不同形状和位置的对象物,其回波波形大致,只是波 幅不通。于是,该系统采用了变阈值鉴幅固定补偿法: (1)采用微处理器闭环控制自动改变阈值 ; (2) 在超声回 波中鉴别其包络峰附近少于6个波的第一个波,形成关 闭定时器的触发信号,并同时设置检测窗口 ; (3) 计数检 测窗

9、口内的鉴别回波格式 n( 鉴别回波=窗口内鉴别回 波数 + 1) 个 ; (4) 判断n的大小,若n 5 ,则减小鉴别规 定阈值,转到(2)重新检测,若 5 ,则从先验的固定补偿 值表中取出与n相对应的补偿值进行修正。其鉴别回波 提取及补偿时间表示如图3所示。 补偿修正公式 t=t-t ,t= ( N -n- 7 8 ) T 0 式中: t 从发射到接收到反射波的传播时间; t 检测时间; t 补偿时间; T0 超声波周期; N 回波包络峰顶以前波的个数; n 检测窗口内包络峰顶以前的鉴别回波数。 可见,不同的 t对应不同n ,作为先验数据先通过 实际测试、 观察得到,建立补偿值表存在存储器中

10、。 本超声波测距系统的误差主要由系统误差、 环境误 差、 检测误差、 定时时间误差、 补偿时间误差等组成。该 系统采用变阈值固定补偿法后,可以补偿时间误差较小。 提高了检测信号的S/ N比,从而提高了超身波测距的精 度和范围。 4 超声波测距系统的软件设计 AT89C51单片机和其开发应用系统具有语言简洁、 可移植性好、 表达能力强、 表达方式灵活、 可进行结构化 设计、 可以直接控制计算机硬件、 生成代码质量高、 使用 方便等诸多优点。超声波测距仪就是用AT89C51单片 机开发设计的。它采用模块化设计,由主程序、 定时子程 序、 显示子程序等模块组成。在此给出主程序框图,如图 4所示。 图

11、4 主程序框图 5 结论 对固定 材料、 结构 的超声波传 感器,其检 测波特性不 变,即再发 射传感在同 一激励电压 源作用下发 射超身波,其 反射波的波 形变化规律, 不会因为对象物类型,距离的改变而变化,只是波幅不同 而已。故该系统采用了变阈值鉴幅固定补偿法,减小了 误差,从而提高了测距精度。该系统发射脉冲电压为 20V ,对平面物体做了多次测量发现,测距范围为10m , 测距精度为0. 2 %。可见基于单片机设计的超声波测距 18 计量与测试技术2005年第32卷第2期 测温控制仪表控温偏差原因浅析与对策 The Analysis and Countermeasure to Causa

12、tion of Temperature-control Windage of Temperature Test 偏差原因分析;解决办法 测温 控制仪表(以下称温控仪表)已在工业生产中 如冶金、 化工、 造纸、 塑料制品、 食品加工、 科研领域等得 到广泛的应用,尤其是在线缆行业的挤塑、 挤橡、 试验室 的热延伸、 老化试验等相关设备的加热系统中是不可缺 少的重要部件之一。在生产(试验)过程中,温控仪表对 设备加热系统的温度控制,对工艺参数的正确执行,保证 塑料粒子(电缆料)理想的塑化,满足工艺要求,以及保证 试验结果的准确,具有重要作用,是开机生产或试验过程 中不可缺少的 “监控设备” 之一。

13、然而,在温控仪表的使 用过程中,仍存在一些或大或小的问题,导致控温出现偏 差,如何降低和消除设备的控温偏差,是我们应解决的问 题。由于温控仪表种类繁多,控制方式也有所不同,大体 可分为动圈式和数显温控仪表。本人对温控仪表产生偏 差的可能原因作了大致分析。 首先,由于温控仪表的选型不当可能引起测温偏差 导致设备的控温精度达不到要求。为了尽可能得到测量 结果,除考虑仪表的精度等级外,应选用合理的测量范 围,即在精度相同的情况下,应尽量选用仪表的上限与被 测温度相近的仪表,以提高温控仪表的测量精度。因此 温控仪表在选型、 安装使用前,主要应考虑以下几个方面 的性能: (1)仪表的技术指标方面的特性,

14、如温控仪表的精度 等级、 稳定程度、 可靠性、 分辨率和灵敏度等,因为它们可 能直接影响测量结果的准确性和测量精度等。 (2)温控仪表使用操作方便与否,自动化程度如何? 调节方式是位式调节还是PID调节? (3)温控仪表在现场使用中抗干扰能力的强弱,即在 使用条件不符合规定技术要求时,由此而产生的干扰对 仪表测量特性有多大的影响? (4)温控仪表对温控对象所要求的控温范围能否满 足?等等。 需要注意的是,温控仪表尤其是数字温度仪表的种 类很多,规格、 型号尚未统一,因此,温控仪表的安装使用 须先了解仪表接线端子的作用,按使用说明书的要求进 行正确的安装与接线,在确认接线准确无误的情况下,方 可

15、给仪表上电试运行,以免造成仪表损坏。比如将电源 线误接到仪表的测量端,就会将仪表的测量回路烧坏。 其次,温度设定值的正确与否,直接关系到工艺参数 的执行,进而影响温度的高低,因此,在进行开机生产前 应认真参照工艺文件参数,选好温度设定值,以免造成温 度与工艺要求设定值的偏差。对于动圈式温控仪表 ,( 在 线缆行业的挤塑、 挤橡设备中常见的有TE96型、TE72 型、TES0301型等仪表)当温度在设定值范围附近,指 针高于或低于设定值,个别仪表指针会出现卡滞现象,往 往会给操作者造成一些温度稳定的错觉,其主要原因是 由于仪表指针受到卡滞,或是指针的位置过低碰标尺,过 高碰屏分板;动圈可动部分磨

16、损或极靴间有杂物以及指 针上的小铝旗碰检测线圈等,使仪表指针灵活程度下降 从而影响仪表指针的正常移动,遇到这种情况只要用手 指轻轻敲击仪表玻璃表面,或对设定值进行增加或减少, 系统具有硬件结构简单、 工作可靠、 测量误差小等特点。 因此,它不仅可用于移动机器人,还可用在其它检测系统中。 参考文献 1马大猷,沈山豪.声学手册.北京:科学技术出版社,1983. 2何立民.单片机应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社, 1990. 3王福瑞.单片微机测控系统设计大全.北京:北京航空航天大学出 版社,1998. 作者简介:戴曰章,男,助教。工作单位:潍坊学院信息与控制工程系。通 讯地址:261061山东省潍坊市。 吴志勇,电子科技大学(成都610054)。 收稿时间:2005 - 02 - 02 管保光:测温控制仪表控温偏差原因浅析与对策 19