基于超聲波傳感器的無接觸式空氣測距方法

摘要：為了克服一些傳統(tǒng)距離測量方式在某些特殊場合無法測量的缺陷，設(shè)計(jì)以P89LPC932為核心，利用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)了無接觸式空氣測距的方法，充分考慮聲速與溫度的密切關(guān)系，進(jìn)行溫度補(bǔ)償，進(jìn)一步獲得測距最遠(yuǎn)700 cm左右，精度最優(yōu)達(dá)到1%。該設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，安裝簡單，體積小，功耗低，便于嵌入其他系統(tǒng)的特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：P89LPC932;超聲波;測距儀;無接觸式空氣測距

　　引言

　　一些傳統(tǒng)的距離測量方式在某些特殊場合存在不可克服的缺陷。例如，液面測量就是一種距離測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電或脈沖來檢測液面，電極長時(shí)間浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。利用超聲波測量距離可以解決這些問題。

　　本文設(shè)計(jì)的超聲波測距儀用三種測距模式選擇跳線J1(短距、中距、可調(diào)距)。其整體方案為當(dāng)按下測量鍵，探頭就發(fā)送超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)將產(chǎn)生回波信號;系統(tǒng)將探頭接收到的回波信號放大送入控制器;溫度測量電路測出溫度，通過計(jì)算得到所測距離，顯示在數(shù)碼顯示器上，后4位顯示距離，前2位顯示溫度。

　　1 超聲波測距儀基本原理

　　利用超聲波測量距離的原理如圖1示所示，簡單描述為：定期發(fā)送的超聲波遭遇到障礙物時(shí)發(fā)生反射，反射波經(jīng)由接收器接收并轉(zhuǎn)化為電信號，這樣只要測出發(fā)送和接收的時(shí)間差△t，然后按照式(1)即可求出距離：

　　式中：C為超聲波在空氣中的傳播速度，0℃時(shí)C為331 m/s，25℃時(shí)C為347 m/s，其與環(huán)境溫度T(單位：℃)的關(guān)系如式(2)：

　　由此可見，聲速與溫度有密切關(guān)系。在應(yīng)用中，如果溫度變化不大，并且無特殊精度要求，可認(rèn)為聲速是基本不變的，否則，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償方法為每次先按照式(2)計(jì)算當(dāng)時(shí)聲速C，然后再按照式(1)計(jì)算距離。

　　另外，從圖1還可以看出，由于超聲波利用接收反射波來進(jìn)行距離的計(jì)算，因而不可避免地存在發(fā)射與反射之間的夾角，其大小為2a。當(dāng)a很小時(shí)，可直接按式(1)進(jìn)行計(jì)算得到距離;當(dāng)a較大時(shí)，則必須進(jìn)行距離修正，修正公式如式(3)：

　　2 系統(tǒng)硬件

　　超聲波測距儀主要包括：溫度檢測電路，超聲波發(fā)射及控制電路，超聲波接收及信號處理電路，顯示電路，微處理和其輔助電路以及RS 232通信接口電路，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　2.1 超聲波發(fā)射及控制電路

　　超聲波探頭的型號選用CSB40T，利用軟件產(chǎn)生40 kHz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波，如圖3所示。從圖中可看出，40 kHz超聲波信號是利用555時(shí)基電路震蕩產(chǎn)生的。震蕩頻率計(jì)算式如下：

　　將R10設(shè)計(jì)為可調(diào)電阻的目的是為了調(diào)節(jié)信號頻率，使之與換能器的40 kHz固有頻率一致。為保證555時(shí)基具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，宜采用+12 V電源。CNT為超聲波發(fā)射控制信號，由微處理器進(jìn)行控制。