结合温度补偿的超声波测距系统设计

0 引言

超声波是一种在弹性介质中的机械震荡，它是由与介质相接触的震荡源所引起的，其频率在20kHz以上。由于超声波的速度相对于光速要小得多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而利用超声波测距在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括无损检测、过程测量、机器人测量和定位，以及流体液面高度测量等。利用单片机控制超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现，并且测量精度高。

1 系统设计

超声波测距的最远距离和分辨能力，不仅需要良好的换能器，也需要合理的驱动电路及回波探测电路。对发射而言，为了使电能到机械能的转换效益最大，换能器必须工作在它的共振频率处。对接收电路而言，为了使机械能到电能的转换效率最大，最佳工作点必须取在反共振频率处，在传感器系统中，发射部分的共振频率要与接收部分的反共振频率相匹配。同时，温度对声速有着较大的影响，温度补偿无疑是减少误差的很好方法。本设计选用T40-16T/R超声波传感器，设计了一种以AT89C2051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。为了进一步提高系统测量精度和系统稳定性，在硬件上增加了温度传感器测温电路，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，降低了温度变化对测距精度的影响。有力提高了超声波测距系统的测量精度。

设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块、温度测量补偿模块等五个模块组成，组成框图如图1所示。

超声波发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送，超声波接收电路输出端与单片机相连接，单片机的输出端与显示电路输入端相连接。单片机在TO时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。

2.1超声波测距单片机控制系统

单片机AT89C2051采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机P3.5端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.6端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P1口，位码输出端口分别为单片机的P3.2、P3.1、P3.0口，数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。而温度测量采用简单的DS18B20温度传感器，测量结果送入P3.4口，利用公式算出声速。

2.2超声波发射、接收电路

超声波发射、接收电路如图2所示。超声波发射电路由电阻R2及超声波发送头T40组成；接收电路由BG1、BG2X组成的两组三级管放大电路组成；检波电路、比较整形电路由C7、D1、D2及BG3组成。

40kHz的方波由AT89C2051单片机的P3.5驱动超声波发射头发射超声波，经反射后由超声波接收头接收到40kHz的正弦波，由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大、整形，最后输出一负跳变，输入单片机的P3.7脚。由于单片机系统的晶振为12M晶振，所以只能产生半周期为12μs或13μs的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz.本系统在编程时选用了后者。接收到的信号加到BG1、BG2组成的两级放大器上进行放大。每级放大器的放大倍数为70倍。放大的信号通过检波电路得到解调后的信号。这里使用的是IN4148检波二极管，输出的直流信号即两二极管之间电容电压。该接收电路结构简单，性能较好，制作难度小。

2.3温度测量补偿电路

在空气中，常温下超声波的传播速度是334m/s，但其传播速度受空气中温度、湿度等因素的影响，其中受温度影响较大，如温度每升高1℃，声速就会增加约0.6m/s.因此在相同的间隔测量距离，由于波的传播时间是相同的，不同温度下的声速不同，所以最终造成测量出来的距离不相等，在距离测量精度要求很高的情况下，必须要对温度进行测量和补偿，以避免温度对测量精度的影响。本系统选用DS18B20温度传感器作为温度测量、误差补偿装置，与单片机交换信息仅需要一根I/O口线，其供电电源可来源于单片机I/O口数据线，而无需额外电源。不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系如下：v=331.4+0.61T （1）

式中，T为实际温度（℃），v为当前环境下声速，单位为m/s.

3 系统软件设计

软件设计部分采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、中断子程序、温度测量等组成。超声波测距的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序采用