超聲波測距儀設(shè)計(jì)及其應(yīng)用分析

[摘要] 本文利用超聲波傳輸中距離與時(shí)間的關(guān)系，采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)出了能精確測量兩點(diǎn)間距離的超聲波測距儀。該測距儀主要由超聲波發(fā)射器電路、超聲波接收器電路、單片機(jī)控制電路、環(huán)境溫度檢測電路及顯示電路構(gòu)成。利用所設(shè)計(jì)出的超聲波測距儀，對(duì)不同距離進(jìn)行了測試，并進(jìn)行了詳盡的誤差分析。
[關(guān)鍵詞] 超聲波測距 單片機(jī) 溫度傳感器

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)距離或長度測量的要求越來越高。超聲波測距由于其能進(jìn)行非接觸測量和相對(duì)較高的精度，越來越被人們所重視。本設(shè)計(jì)的超聲波測距儀，可以對(duì)不同距離進(jìn)行測試，并可以進(jìn)行詳盡的誤差分析。

一、設(shè)計(jì)原理

超聲測距儀是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來的特性進(jìn)行測量的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即中斷停止計(jì)時(shí)。 通過不斷檢測產(chǎn)生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射超聲波和接收到回波的時(shí)間差T，然后求出距離L�；�本的測距公式為：L=(△t/2)＊C
式中 L——要測的距離
T——發(fā)射波和反射波之間的時(shí)間間隔
C——超聲波在空氣中的聲速，常溫下取為340m/s
聲速確定后，只要測出超聲波往返的時(shí)間，即可求得L。

二、超聲波測距儀設(shè)計(jì)目標(biāo)

測量距離: 5米的范圍之內(nèi);通過LED能夠正確顯示出兩點(diǎn)間的距離;誤差小于5%。

三、數(shù)據(jù)測量和分析

1.數(shù)據(jù)測量與分析
由于實(shí)際測量工作的局限性，最后在測量中選取了一米以下的30cm、50cm、70cm、80cm、90cm、100cm 六個(gè)距離進(jìn)行測量，每個(gè)距離連續(xù)測量七次，得出測量數(shù)據(jù)(溫度:29℃),如表所示。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，測量值一般都比實(shí)際值要大幾厘米，但對(duì)于連續(xù)測量的準(zhǔn)確性還是比較高的。
對(duì)所測的每組數(shù)據(jù)去掉一個(gè)最大值和最小值，再求其平均值，用來作為最終的測量數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行比較分析。這樣處理數(shù)據(jù)也具有一定的科學(xué)性和合理性。從表中的數(shù)據(jù)來看，雖然對(duì)超聲波進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，但在比較近的距離的測量中其相對(duì)誤差也比較大。特別是對(duì)30cm和50cm的距離測量上，相對(duì)誤差分別達(dá)到了5%和4.8%。但從全部測量結(jié)果看，本設(shè)計(jì)的絕對(duì)誤差都比較小，也比較穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)盲區(qū)在22.6cm左右，基本滿足設(shè)計(jì)要求。
2.誤差分析
測距誤差主要來源于以下幾個(gè)方面：
(1)超聲波發(fā)射與接收探頭與被測點(diǎn)存在一定的角度，這個(gè)角度直接影響到測量距離的精確值;(2)超聲波回波聲強(qiáng)與待測距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā);(3)由于工具簡陋，實(shí)際測量距離也有誤差。影響測量誤差的因素很多，還包括現(xiàn)場環(huán)境干擾、時(shí)基脈沖頻率等等。

四、應(yīng)用分析

采用超聲波測量大氣中的地面距離，是近代電子技術(shù)發(fā)展才獲得正式應(yīng)用的技術(shù)，由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對(duì)象顏色等的影響，在較惡劣的環(huán)境(如含粉塵)具有一定的適應(yīng)能力。因此，用途極度廣泛。例如:測繪地形圖，建造房屋、橋梁、道路、開挖礦山、油井等，利用超聲波測量地面距離的方法，是利用光電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，超聲測距儀的優(yōu)點(diǎn)是:儀器造價(jià)比光波測距儀低，省力、操作方便。
超聲測距儀在先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)上也有應(yīng)用，把超聲波源安裝在機(jī)器人身上，由它不斷向周圍發(fā)射超聲波并且同時(shí)接收由障礙物反射回波來確定機(jī)器人的自身位置，用它作為傳感器控制機(jī)器人的電腦等等。由于超聲波易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，它的應(yīng)用價(jià)值己被普遍重視。
總之，由以上分析可看出:利用超聲波測距，在許多方面有很多優(yōu)勢。因此，本課題的研究是非常有實(shí)用和商業(yè)價(jià)值。

五、結(jié)論

本設(shè)計(jì)的測量距離符合市場要求，測量的盲區(qū)也控制在23cm以內(nèi)。針對(duì)市場需求，本設(shè)計(jì)還可以加大發(fā)射功率，讓測量的距離更加的遠(yuǎn)。在顯示方面，也可以對(duì)程序做適當(dāng)改動(dòng)，使開始發(fā)射超聲波時(shí)LED顯示出溫度值，到超聲波回波接收到以后通過計(jì)算得出距離值時(shí)，LED自動(dòng)切換顯示距離值，這樣在視覺效果上得到更加直觀的了解。

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