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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?;镜臏y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,zui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,但對于連續(xù)測量的準(zhǔn)確性還是比較高的。
對所測的每組數(shù)據(jù)去掉一個(gè)zui大值和zui小值,再求其平均值,用來作為zui終的測量數(shù)據(jù),zui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誤差也比較大。特別是對30cm和50cm的距離測量上,相對誤差分別達(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*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*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。
參考文獻(xiàn):
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[4]路錦正王建勤楊紹國趙珂趙太飛:超聲波測距儀的設(shè)計(jì)[J].傳感器技術(shù).2002
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