结合温度补偿的超声波测距系统设计

摘要：本设计实现了一种以AT89C2051单片机为核心的超声波测距系统，它具有低成本，高精度，微型化数字显示的特点。为提高测量精度，在测量时使用了DS18B20温度传感器对系统进行有效的温度补偿。经实验证明，本系统电路设计合理、工作稳定、检测速度快、测量简单、易于做到实时控制。
关键词：超声波；换能器；测距；单片机；温度传感器

0 引言
超声波是一种在弹性介质中的机械震荡，它是由与介质相接触的震荡源所引起的，其频率在20kHz以上。由于超声波的速度相对于光速要小得多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而利用超声波测距在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括无损检测、过程测量、机器人测量和定位，以及流体液面高度测量等。利用单片机控制超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现，并且测量精度高。

1 系统设计
超声波测距的最远距离和分辨能力，不仅需要良好的换能器，也需要合理的驱动电路及回波探测电路。对发射而言，为了使电能到机械能的转换效益最大，换能器必须工作在它的共振频率处。对接收电路而言，为了使机械能到电能的转换效率最大，最佳工作点必须取在反共振频率处，在传感器系统中，发射部分的共振频率要与接收部分的反共振频率相匹配。同时，温度对声速有着较大的影响，温度补偿无疑是减少误差的很好方法。本设计选用T40-16T／R超声波传感器，设计了一种以AT89C2051单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪。为了进一步提高系统测量精度和系统稳定性，在硬件上增加了温度传感器测温电路，采取声速预置和媒质温度测量相结合的办法对声速进行修正，降低了温度变化对测距精度的影响。有力提高了超声波测距系统的测量精度。
设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块、温度测量补偿模块等五个模块组成，组成框图如图1所示。

超声波发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送，超声波接收电路输出端与单片机相连接，单片机的输出端与显示电路输入端相连接。单片机在TO时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。
2．1 超声波测距单片机控制系统
单片机AT89C2051采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机P3．5端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3．6端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P1口，位码输出端口分别为单片机的P3．2、P3．1、P3．0口，数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。而温度测量采用简单的DS18B20温度传感器，测量结果送入P3．4口，利用公式算出声速。