超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如物位測(cè)量儀和測(cè)距儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)比較快速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)時(shí)控制，并在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，性價(jià)比較高。因此在液位、井深、管道長度的測(cè)量、移動(dòng)機(jī)器人定位和避障等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)以脈沖回波法的超聲波測(cè)距原理為依據(jù)，AT89S52單片機(jī)作為控制核心，結(jié)合超聲波發(fā)送和接收模塊HY—SRF05，實(shí)時(shí)LCD顯示。系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器，把溫度值的變化補(bǔ)償?shù)匠暡ǖ牟ㄋ僦?，從而提?strong>超聲波測(cè)距儀的精度，降低溫度對(duì)測(cè)距結(jié)果的影響。

1 超聲波測(cè)距原理

超聲波測(cè)距的原理是通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)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(dá)測(cè)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)開始計(jì)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(jì)時(shí)。

根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)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)，由此可見溫度對(duì)于超聲波測(cè)距系統(tǒng)的影響是不可忽略的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由5部分組成，以AT89S52單片機(jī)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(tǒng)整體結(jié)構(gòu)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(cè)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(hào)輸入端，與單片機(jī)的P3.7口相連;3腳為回響信號(hào)輸出，與單片機(jī)P3.2口相連;4腳接地;5腳為開關(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(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40 kHz周期電平并檢測(cè)回波，一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)，則3腳輸出回響信號(hào)，所測(cè)的距離與回響信號(hào)的脈沖寬度成正比，由此可通過發(fā)射信號(hào)到收到回響信號(hào)的時(shí)間間隔計(jì)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(yīng)通過溫度補(bǔ)償對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行校正。系統(tǒng)采用DS18B20傳感器測(cè)量溫度，DS18B20溫度傳感器具有不受外界干擾、精度高、測(cè)溫范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。檢測(cè)電路如圖6所示，單片機(jī)P3.7口接DS18B20數(shù)據(jù)總線，控制DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換和傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總線接10 kΩ的上拉電阻，作用是使總線控制器在溫度轉(zhuǎn)換期間無需一直保持高電平。

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(duì)比度調(diào)整端，使用時(shí)通過接一個(gè)10 kΩ的電阻來調(diào)節(jié)。4腳RS為寄存器選擇信號(hào)線，H為數(shù)據(jù)選擇，L為指令選擇，接單片機(jī)的P1.0口。5腳RW為讀寫信號(hào)線，接單片機(jī)的P1.1口。6腳E為使能端，當(dāng)E由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)執(zhí)行命令，接單片機(jī)的P1.2口，8位數(shù)據(jù)線D0～D7，接單片機(jī)的P0口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)初始化部分包括引腳的定義、中斷和定時(shí)器的設(shè)置等，進(jìn)而調(diào)用溫度檢測(cè)子程序，根據(jù)溫度值對(duì)超聲波速度進(jìn)行校準(zhǔn)，最終根據(jù)回波信號(hào)計(jì)算距離并顯示，主程序流程如圖8所示。

3.2 超聲波測(cè)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(jī)P3.7引腳發(fā)送觸發(fā)脈沖，由單片機(jī)P3.2引腳利用定時(shí)器T1來對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)計(jì)時(shí)，初始化T1后檢測(cè)等待回波信號(hào)的到來，當(dāng)信號(hào)由低變高后定時(shí)器T1開始計(jì)時(shí)，直到信號(hào)由高到低計(jì)時(shí)結(jié)束，根據(jù)溫度校準(zhǔn)后的超聲波速度計(jì)算障礙物的距離，超聲波測(cè)距流程如圖9所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

硬件電路如圖10所示，經(jīng)過試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)測(cè)量范圍在30～150 mm之間時(shí)，誤差相對(duì)較小，此范圍之外誤差較大。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過引入DS18B20，使超聲波測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度有了較大的提高。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、帶溫度補(bǔ)償、實(shí)時(shí)LCD顯示和報(bào)警等優(yōu)點(diǎn)，并有一定的實(shí)用價(jià)值。