超声波测距仪的设计

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超声波测距仪的设计

路锦正，王建勤，杨绍国，赵

珂，赵太飞

（成都理工大学电子信息工程系，四川成都610059）

控制的超声测距仪的原理：由要：介绍了利用微处理机控制单元（MCUmicroprocessorcontrolunit）

计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。给出了系统构成、电路原MCU控制时间计数，

理及程序设计。并且在数据处理中采用了温度补偿和修正量的调整。此系统具有易控制、工作可靠、测距摘

准确度高和流程清晰等优点。

关键词：微处理机控制单元；超声波传感器；测距；温度补偿中图分类号：TP212

文献标识码：B

文章编号：（1000-97872002）08-0029-03

Designofsystemforultrasonicdistancemeasurementinstrument

LUJin-zheng，WANGJian-Cin，YANGShao-guo，Z~AOKe，Z~AOTai-fei

（Deptofelctinfoengin，Chengduuniversityoftechnology，Chengdu610059，China）

Abstract：PrincipleandstructureofultrasonicdistancemeasurementinstrumentbymasterofMCUareintro-duced.WiththecontrolofMCUtooperatethetime-keeping，distancefromtargettooriginalpointisgainedusingiththetimeofultrasonictransmittingbothtothetargetandreflectingbackandthespeedofultrasonicproductWWhichtransmitsintheair.Andsystemstructure，circuitphilosophyandprogrammingarealsospecified.inthetemperaturecompensationandadjustmentofamendmentammountareused，sotheinstrumentprocessofdata，systemhasfeatures：easeofcontrol，stabilityofoperation，highnessofprecisionanddistinctnessofprogramme

etc.process，

；Keywords：microprocessorcontrolunit（MCU）ultrasonicsensor；distancemeasurement；temperaturecom-pensation

0

引言器接收，可以测量声波的整个运行时间，从而实现物位的测量。本仪器是现场监控系统的液位测量子功能模块。测距仪系统所用传感器是CUSS100。

从而避CUSS100超声波传感器采用声波反射原理，免传感器直接与介质接触，实现非接触测量物位，这一点对固体散料、粘稠介质，固体、液体混合介质的物位测量非常重要。其最佳工作频率75k~z，适于盲区20cm，脉冲触中程范围测量，最大量程10m，

发模式工作。此类传感器适应强，可在-40!90C环境下正常工作，散射角最大15 。为测量更精确，鉴于声速受温度影响最大，测距数据处理过程采用了温度补偿。且各种温度传感器均可用于本系统的温度补偿。1.1

测距原理

脉冲法测距的原理如图1所示。

超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。1

超声测距

超声波传感器的工作原理是陶瓷的压电效应。超声波传感器在测量过程中，声波信号由传感器发出，经液体或固体物体表面反射后折回由同一传感

收稿日期：2002-04-02

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传感器技术

第21卷

从而激励传感器产生超声波。触75k~z频率的方波，

发脉冲的宽度决定75k~z方波的个数。接收电路接收到回波信号，经放大、检波、整形成为宽度小于触发脉冲的正脉冲。（上升沿触发），则MCU收到此脉冲

即为停止计数，计数器内的数值（再乘以机器周期1!S）

图1

Fig1

测距原理

Principleofmeasuringdistance

首先超声波传感器向空气中发射声脉冲，声波遇到被测物体反射回来，若可以测出第一个回波达被测时间的2倍。由 ・ ／2即可算得距离。

硬件系统3

仪器系统的硬件由中心控制单元M显示电路、CU、到的时间与发射脉冲间的时间差 ，利用 12

，

即可算得传感器与反射点间的距离 ，测量距离

! 2~（ 22），若 \" 时，则 # ，本仪器采用收发同体传感器，故 0，则 12

・ 。

2

温度补偿常温常压下，空气近似为理想气体。超声波在理

［1］

想气体中传播速度为 ! ，式中!为气体摩尔质量；为气体的比热比；! 为气体常数； 为热力学温度。对于一定的气体 、!为定值。

由公式可知：声速与热力学温度的平方根成正比。温度越高声速越大，温度越低声速越小。0C时，空气中声速的实验值为331 45m／S，

空气中声速表达式为 331 45

!\" 273 16273 16（m／S

），

由实验分析得距离计算公式为

331 45XN!\" 273 16fr

273 16~15（mm），

式中N为计数个数；fr为参考频率；\"为摄氏温度； 为距离。

在25C时， 0 1731425XN~15（mm）为本仪器的距离计算公式。电路中未用温度传感器，所以仅进行常温下的声速补偿： 346 285m／S。在其它情况下，可根据具体需要而程序会略有改动。系统结构及工作原理

仪器系统结构及原理框图见图2。

图2

系统原理结构框图

Fig2

Blockdiagramofsystemprinciple

功能键按下使MCU（微处理机控制器，俗称单片机）激发一个触发脉冲，发射电路工作应发射

发射接收电路、功能选择、收发同体传感器和电源等。3 1

超声波传感器

人们为研究和应用超声波，已发明设计并制成了许多类型的超声波发生器：机械方式和电气方式产生超声波发生器。实质上，超声波发生器即是超声波换能器：它将其它形式的能量转换成超声波的能量（发射换能器来完成）和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量（接收换能器来完成）。一般是用电能和超声能量相互转换。电气方式类型包括：压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械式方式有气流旋笛、液哨和加尔统笛等。各种类型产生的超声波的功率、频率和声波特性都不相同。目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体（PZ 4，PZ 5）

等。压电型超声波传感器的工作原理［1，2］：它是借

助压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。其结构原理如图3（a）

所示。图3超声波传感器结构原理框图说明Fig3

Diagramexplanationforultrasonic

sensor’

sstructureandprinciple 12

第8期

路锦正等：超声波测距仪的设计

3l

超声波传感器有两块压电晶片和一块共振板。当它的两电极加脉冲信号（触发脉冲），若其频率等于晶片的固有频率时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。超声波传感器用等效电

［］l（如图（所示）来分析共振频率附近的超声路3b）

图5

Fig5

发射、接收信号波形分析

Waveformanalysisoftransmitandreceivesignal

电能用 e波换能器的特性：换能器的器械能用 m；此脉冲的宽#把两个上升沿处理为一个脉冲，

表示。由图3（b）分析可知， 恰好是电路的串联支路的 值。设换能器在空载（ l 0）和有载（ l

l）时的 值分别为 m0、 m，

则有 m0

l 0 0

l ；l0 0 m l 0 0 l l （l；0 0 l） e0 0 0 0； e 0 （0

0 l）.超声波换能器的工作效率为

! l l 0

.

仪器所用的CUSSl00超声波传感器的压电效

应曲线如图4所示。图中发射曲线以-l!Pa／V为基准，接收曲线以lV／!

Pa为基准。由图可知最佳工作频率为75k~z。

图4发射和接收的压电效应

Fig4

Transmit／receivevoltageresponse

.2

微处理机控制单元

MCU采用了AT89C5l。

它控制发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差。对MCU编程，可对测得数据优化处理使测量误差降到最低限度。MCU还控制显示电路，通过串行口的控制脉冲输出串行数据送数字显示电路。

计数方式有两种方法：\"在MCU发触发脉冲的同时开启Tl，收到回波立即关闭Tl，这时Tl的值为超声波走过的时间（注意2倍）

，如图5所示。度即是理论上与上述相等的结果。但是\"中MCU的Tl时刻与#方式中的脉冲上升沿时刻为同一时刻，且MCU的Tl是在 AT 门和TRl开启后，等到高电平时刻才开始计数的，亦即自动的。而且\"用查询确定回波时刻，而这样有可能在两次查询之间回波信号已到达，这样就有了计数误差。系统采纳#方式。

Tl为计数器，T0为触发脉冲的延时。延时的大小等于在这个范围内的超声波的往返时间，大约为ms（l.l549ms）

。软件系统本系统软件部分与硬件系统配合完成对超声波往返时间的测量，根据在一定温度下超声波的传播速度计算测量的距离，送数码管显示测量结果。为仪器的适应性强、软件系统的鲁棒性能好，编程语言用汇编。系统采用了去除最大、最小值后取平均的方法。为测量精度、速度，应适当选取测量次数。此仪器取4次测量。

另外，在MCU计数器计数过程中遇到了数值溢出的问题。因为浮点数最大的优点就是数的表示范围大。但这就涉及定点数与浮点数的转换，对通用MCU来说运行代价太高：编程困难、占用更多机器时间。本系统巧妙的避开了这类棘手的问题：对于

M~z晶振的MCU，设1（声） 343.5m／

s，smax m，计数时间为58823!s，双字节整数范围为65，

再把时间换算为距离（mm）会更小，这样取平均时就不会产生溢出。测试分析

本仪器应用于无接触式距离测量，如测深、测高。对于静态、准静态及慢动态被测物进行精确测量，数字显示结果。系统设计简单、成本低、体积小、性能可靠等特点。超声波测距在采矿、找油和不适人工直测的距离、深度及高度中推广应用。表l为测试实验结果。

（下转第34页）

l4

3l2l05355

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传感器技术

第21卷

在进行数据采集以前先要设置系统的参数。其中控制气体流量模块设置C0或N02的气体体积分数，时间频率设定模块设置被测气体通气前后的数据采集时间和数据采集间隔，控制加热电压模块则实现对4路气体传感器电压的设定。当进行数据采集时，一方面由实时显示数据模块实时显示气体传感器对被测气体的响应曲线，另一方面保存数据文件模块把采集到的数据存到文件中，直到系统数据采集结束。2.2

系统工作界面及数据显示方式

整个标定系统的工作界面分为左右两部分。界面的左边是V用来实时、动态地显示气iew类视图，体传感器的测试曲线，本系统可以同时动态地输出方便使用者对各路信号进行8路不同颜色的曲线，比较与分析；界面的右边是FormV用来iew类窗体，显示系统使用者所设定的测试条件以及数据采集通路，该部分可以显示出系统使用者所设定的4个气体传感器的加热电压、C0或N02的气体体积分数值、N2的MFC的控制电压以及流通C0和N02通气时间等等。图4是气体传感器对C0气体的一个响应示例。

采样电阻器上的电压值也趋于稳定；在停止通入随着测试腔里的C0体积分数C0后继续通入N2，的降低直至排空，采样电阻器上的电压值也减小直至达到最初的稳定值。图5是一个集成气体传感器

6的响应实例。阵列对!（N02）!1\"10#

图5Fig5

气体传感器!（NO）=lxlo-6时的瞬时响应曲线2

（NO）Responseofagassensorto!=lxlo-6

2

由于阵列中各传感器工作在不同的温度因而表现出不同的灵敏度。3

结束语

所组建的半导体气体传感器程控标定系统能够在低体积分数范围内精确配送测试气体，能对传感器阵列实行程控加热及自动采集和显示传感器的响应数据，系统用户界面方便实用，数据显示直观实时，极大地简化了手工方法的繁琐操作步骤。参考文献：

图4Fig4

气体传感器对!（CO）=4oxlo-6的瞬时响应曲线

（CO）Responseofagassensorto!=4oxlo-6

戴国瑞，高鼎山，等.智能气敏元件测试仪的研制［［1］管玉国，J］.仪器仪表学报，（：1997，192）223-226.［2］HarveyL，CoIesGSV，WatsonJ.ThedeveIopmentofanenvi-［ronmentchamberforthecharacterizationofgassensorsJ］.Sen-sorsandactuators，1989，16：393-405.

所使用的气体传感器为旁热式厚膜烧结型，它的加热电压为5V直流电压。C0的体积分数为

当测试腔里的气体体!=40>10-6。在图4中，（C0）

积分数达到稳定时，传感器的气敏电阻值不再变化，

作者简介：

任术波（，男，河北唐山人，大连理工大学电子系在读硕1976-）

士生，主要从事测试技术及仪器研究。

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

（上接第31页）反应速度；对回波信号处理需要时间；声速误差，当

表l测试结果分析前条件下的实传播速度与程序中设置间的差别；数

Tabl

次数1234

环境温度

（C）25303540

Resultanalysisoftestingdada

实测距离（mm）1064309641099213

真实距离（mm）1000300050009000

测量误差（%）6.43.22.22.4

据处理中整数与小数的相乘等等。经多次测量发现对误差影响因素最大的是温度的变化，因此，该仪器有待进一步改进和升级：如采用温度传感器补偿声速等，从而使测量更精确。参考文献：

［王明时.现代传感器技术［M］电子工业出版社，1］金篆芷，.北京：

1995.331-335.

［［M］国防工业出版社，2］袁希光.传感器技术手册.北京：1986.

699-702.

6

结束语

尽管采取了多种方法以减小测距误差，但仍存

作者简介：

，男，山东惠民人，硕士研究生，主要研究方向：路锦正（1975-）

音视频数据处理、电子技术设计。测试计量技术及仪器、DSP应用、

在各种主客观的偏差：对$的计数误差；传感器的