器仪 表专 业 ， 学士 学位 ， 获 副教 授 ； 主要 从 事测控技 术 方面 的研 究。 ６ ２
ＰＲＯＣＥＳ Ｓ ＡＵＴＯＭ ＡＴ ＯＮ ＮＳ ＲＵＭ ＥＮＴＡＴＩ Ｉ Ｉ Ｔ ＯＮ ｋ３ ． ｅ ｒ ａ ｙ２ １ Ｖｏ ３ Ｎｏ ２ Ｆ ｂ ｕ ｒ ０ ２
一
种高精度超声 波测距 系统 的设计
开 始
了１ 个共射极放 大电路 ， 以作 为受控 开关使 用。
初始 化
图 ２ 超 声 波 发 射 电路
Ｆ ｇ ２ Ｕｌ ａ ｏ ｉ ｔ ｎ ｍｉ ｉ ｇ ｃｒ ｕ ｔ ｉ． ｔ ｓｎｃ ｒ ｓ ｔｎ ｉ ｉ ｒ ａ ｔ ｃ
发送 ７ ０ｌｚ 个４ 脉冲 ｔ
采
（ 南石 油 大学 电气信 息学 院 ， 川 成都 西 四
李傻 兰
够 亮
胡 滑
６０ ４ ） １０ １
６０ ０ ； １５０ 中国石 油 集 团工程 设计 有 限 责任公 司西南分公 司 四川 成都 ，
摘
要 ：随着控 制技 术研 究的不 断深 入 ， 人们 对距 离 的测量要 求越 来 越高 。为 了 实现 对测 量 对 象距 离 的 实 时监 测 ， 计 了一 种高 精 设
ｐ ｉｔｕ ，ａ ｌ ａ ｈ ｏ ｒｎｏ ｔ ｓｗｅｌ ｓｔｅ ｃ ｍｍｕ ｉａｉｎ ｂ ｔ ｅ ＣＵ ｎ ｏ ｔｃ ｍｐ ｔｒａ ｅ ｉ ｅ ｎｅ ｎｃ ｔ ｅｗｅ ｎ Ｍ ｏ ａ ｄ ｈ ｓ ｏ ｕ ｅ ｒ ｍｐｌｍｅ ｔｄ．Ｔｈ ｙ ｔｍ ｅ ｔｒ ｓｅ ｓ ｅｅ ｔ ｎ，ｒａ—ｉ ａａ ｅ ｓ ｓｅ ｆａｕ ｅ ａ ｅ ｄ ｔｃｉ ｏ ｅ ｔ ｌ ｍｅ ｄ ｔ ａ ｑ ｉｉｏ ｎ ｒ ｎ ｍｉｓｏ ｃ ｕ ｓｔ ｎ ａ ｄ ｔａ ｓ ｓｉｎ，ｌｗ ｏｔａ ｄ ｈｇ ｃ ｕｒｃ ． ｉ ｏ ｃ ｓ ｎ ｉｈ ａ ｃ ａ ｙ Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒ ｓ！ Ｄｉｔｎ ｅ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ Ｕｌｒｓ ｎｃ ＭＣＵ Ｌａ ＶＩ ｓａ ｃ ａ ｕ ｅ ｎ ｔａ ｏ ｉ ｂ ＥＷ Ｈｉｈ ｐ ｅ ｉｉｎ ｇ ｒ ｃｓｏ
张
禾， 等
量 ， 片 机根 据 距 离 自动 调 整超 声 波 频率 。 单
Ｃ ２ １６ Ｘ ００ Ａ是 日本索尼公 司生产 的彩 电专用 红外 遥控接收器 ， 采用 单列 ８脚 直插 式 ， 小 型封 装 ， 超 ５Ｖ 供 电。当超声波接收探 头接 收到超 声波 信号 时 ， 压迫 压 电晶片作振动 ， 机械能 转化 成 电信 号 。红外 线检 将
０ 引言
超声波在传输过程 中具有 不易受 干扰 、 能量消耗
送和接收声波的双重作用 。超声波传感器是利用压 电 效应 的原理将电能和超声波相互转 化 。
超声波测距系统组成如图 １ 示 。 所
缓慢 、 在介质 中传播 的距离较远等优点 ， 因而超声波经
常用 于距 离 的测 量 。 因为超声 波 测距 是 非接 触式 的 ， 以它可 以在某些 特定场合 或环 境 比较 恶劣 的情 所 况下使用 。如在低渗气 藏微 流量监 测过程 中 ， 需要 实 时对 井径进行测量 。超声波测距是一种非接触式距离 测量 的方法 ， 随着虚拟仪器技术 的发展而发展 ， 伴 它克 服了传统的测距方 式在井 下恶劣环境距离测量 中存在 的缺陷 。因此 ， 结合 虚拟技 术研究超 声波 测距技 术具 有十分重要的现实意义。
２ 硬 件 电路
２ １ 温 度 检 测 ．
超声波测距原理 的表达 式如下 ：
波接 收集成 芯 片 Ｃ ２ １６ Ｘ ００ Ａ接到 电信号 后 ， 所接 收 对
（ ）
｛＝５ ６１ ｒ ０Ｖ ３．４ 十０． Ｓ ３１．Ｔ
＝
到 的信号进行识别 ， 频率 在 ３ ４ Ｈ 左 右 ， 芯 若 ８～ ０ｋ ｚ 则 片将输 出低 电平 ， 否则将输 出高 电平 …。当接收 电路 输 出端产生负脉 冲时 ， 片机 ＩＴ 端产 生一个 中断请 单 Ｎ
速作相应 的处 理 ， 并对 最终测 试结果 进行校正 。
２ ２ 发 射 电路 设 计 ．
超声波发射 电路 主要 由 ５ ５振荡器和 １ ５ 个共 发射 极放大 电路 构成 ， 图 ２所示 。５ ５定 时 器为 一 多用 如 ５ 途模数混合集成 电路 ， 本设计 利用 该特 点构 造 了多谐 振荡器 ， 它能产生频率 为 ４ Ｈ 的波形 。为 了提 高测 ０ｋ ｚ 量精度 和单片机 的计 时精 度 ， ５ ５振荡器 后面 外加 在 ５
３ 软 件设 计
系统软件分为单片机软件和计算机软件两个部分 。 单片机软件使用汇编语言进行编写 ， 主要实 现时间的测 量和距离 的计算功能 。计算机软件使用 Ｌ ｂ ＩＷ 的图 ａＶ Ｅ 形语言编程 ， 实现数据的实时显示、 存储 和打 印等功 能。 主单片机软件程序 主要 由主程序、 温度采 集子程序 、 发 射子程序 、 计算 子程序、 部 中断子程 序和定 时器 中断 外 子程序组成 。主程序流程如 图４所示。
式中： 为超声波在 空气 中的传播 速度 ， ０℃ 时 为 ３ １ ／ 、５℃ 时 为 ３ ７ ｍ ｓ Ｔ为环 境 湿 度 。由此 可 ３ ｓ２ ｍ ４ ／ ； 见， 声速 与温度有着密切关 系。实 际应用 中 ， 如果 温度 变化不大且无特殊要求 ， 可认 为声速基本不 变 ， 否则必 须进行 温度补偿 。温度测 量主要采用测温 电路来实 ］
１ 超 声测 距原理 及 系统组成
超声波是指 频率 高 于 ２ Ｈ 的机 械波 。为 了将 ０ｋ ｚ 超声波作 为 检 测 手段 ， 须 产 生 超 生波 和 接 收 超声 必
波 。完成这种功能 的装置 就是超声 波传感 器 ， 习惯
上称为超声波换能器或超声波探头 。超声波传感器分
为发送 器和接 收器 ， 但一个超 声波传 感器也 可具 有发
ｕｔ ｓｎｃｉ ａｊｓ ｄａ ｔｍ ｔ ａｌ ａｅ ｎｔｅｄｓ ｎｅ ｙｕｉｇＬ ｂ Ｅ ， ｈ ｎ ｔ ｎ ｆｅ ｌｉ ａａｄｓｌｙ ａａｓ ｒｇ ， ｌｒ ｎ ｌａｏ ｉ ｓ ｄｕｔ ｕｏ ａｉ ｌ ｂ ｓｄｏ ｉｔ ｃ．Ｂ ｓ ａＶＩＷ ｔｅｆ ｃｉ ｓｏ ａ—ｍｅｄｔ ｉ ａ ，ｄ ｔ ｔ ａ ｅ ａａｍ ａ ｄ ｒ ｅ ｃ ｙ ｈ ａ ｎ ｕ ｏ ｒ ｔ ｐ ｏ
ｓｓｅ ｈ ｓｂ ｅ ｅｉｎ ｄ ｗｉｈ ｔｅ Ｃ８ ５１ ｓｔ ｅｃ ｒ． Ｃｏ ｓｄ ｒｎ ｈ ｍｐ ｃ ｆｔｍｐｅａｕ ｅｏ ｈ ｌ ａ ｏ ｉ ｅｏ ｉｙ，ｔ ｙ ｔｍ ｒｃ ｓｅ ｙｔｍ ａ ｅ ｎ ｄ ｓｇ ｅ ｔ ｈ ０ Ｆ ａ ｈ ｏｅ ｎ ｉｅ ｉｇｔ ｅｉ ａ ｔｏ ｅ ｒｔ ｒ ｎ ｔｅ ｕｔ ｓ ｎ ｃｖ ｌｃｔ ｒ ｈｅｓ ｓｅ ｐ ｏ ｅ ｓ ｓ ｔｅ ｓ ｕ ｄ ｖ ｌｃｔ ｎ ａ ｃ ｒ ａ ｃ ｔ ｈ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｃ ａ ｇ ｓ，ａ ｄ ｍａ ｅ ｏｒｃｉｎ ｏ ｈ ｎ ｌｔｓ ｅ ｕｔ． Ｉ ｄ ｉｉｎ，ｔｅ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｏ ｈ ｏ ｎ ｅｏ ｉｙ ｉ ｃ ｏ ｄ ｎ ｅ ｗｉｈ ｔ ｅ ｔｍｐ ｒ ｔｒ ｈ ｎ ｅ ｎ ｋ ｓｃ ｒｅ ｔｏ ｎ ｔｅ ｆ ａ ｅ ｔｒｓ ｌｓ ｎ ａ ｄｔｏ ｉ ｈ ｒｑ ｅ ｃ ｆ
中图分 类号 ：Ｔ ２ Ｐ３
文献标 志码 ：Ａ
Ａｂｓｒ ｃ ： Ａｌｎ ｔ ｈ ｈ ｒｕ ｈ ｇ ｉｇ ｒｓ ａｃ ｎ ｃ ｎｒｌｔｃ ｎ ｌｇ ｔａ ｔ ｏ ｇｗｉｈｔ ｅｔｏ ｏ ｇ ｏｎ ｅ ｅ ｒ ｈｏ ｏ ｔｏ ｅ ｈ ｏｏ ｙ，ｔ ｅｆｎ ｔ ｎ ｌ ｅ ｕｒ ｍｅ ｔ ｆ ｓａ ｃ ａ ｕ ｅ ｎ ｒ ｈ ｕ ｃｉ ａ ｑ ｉｅ ｎ ｓｏ ｔｎ ｅｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔａｅ ｍｕｃ ｉｈ ｒ ｏ ｒ ｄｉ ｈ ｈｇ ｅ ．
将单片机的数据传输到计算机端 ， 而且 能实现计算机对
单片机的控 制。由于计算机 的 串口是 Ｒ 一 ２电平 ， Ｓ２ ３ 而 单片机的串口是 ｍ 电平 ， 因此 ， 要实现通信 ， 两者之间 必须有一个 电平转换 电路 。本系统使用 的 串行通 信芯 片为 Ｍ Ｘ ２２ 在保持 Ｒ ． ２ Ａ ３２ ， Ｓ２ 协议输出电平 的前提下 ， ３ ＭＡ ３２ Ｘ ２２可确保 １０ｋｉ ｓ ２ ｔ 的数据传输速率。 ｂ／
求信号 ， 单片机 响应外部 中断请求 ， 执行外部 中断服务
子程序 ， 读取 时间差 ， 计算距离 。
２ ４ 串 口通 信 ．
串口通信对单片机而言意义重大 ， 其不但可 以实现
现， 设计 中采 用 铠装 Ｌ ３ Ｍ ５实 现 。温 度传 感器 将 测
得 的数据送人单 片机 ， 片机 就会 根据 温度变 化对 声 单
籍
堡 皇 单 坚丝
篓
统
图 １ 系 统 组 成 框 图
Ｆｉ １ Ｂｌｃ ａ ｒ ｍ ｆｓ ｓｅ ｃ ｍｐ ｓｔｏ ｇ． ｏ ｋ ｄｉｇ ａ ｏ ｙ ｔｍ ｏ ｏ ｉｉｎ
整个测距系统 以单 片机 为核心 ， 系统开始 工作时 ，
由单片机发出一个控制信号去触发发射 电路 ， 使发射 电
一
种 高精度超声波测距 系统的设计
张
Hale Waihona Puke 禾， 等 一种 高 精 度 超 声 波 测距 系统 的设 计
Ｄｅ ｉｎ ｏ ｇｈ Ｐｒ ｃｓｏ ｔａ ｏ ｉ ｓ ａ ｃ ｅ ｓ ｒ ｇ Ｓ ｓ ｅｍ ｓｇ ｆ Ｈｉ ｅ ｉｉ ｎ Ｕｌ ｓ ｎ ｃ Ｄｉｔ ｎ ｅ Ｍ ａ ｕ ｉ ｙ ｔ ｒ ｎ
路起振 ， 发生器产生振荡波 。电能的振荡波通过换能器 转变成机械能 的超声波 ， 当超声波到达被测 目标时发生 反射 ， 换能器根据压 电原理将超声波信号转换 为电能信 号 。信号经放大滤波 电路处理 ， Ｊ 送至单片机 系统进行 时间的测量和距离 的计算 。单片机系统与计算 机之 间 进行 串口通 信 ， Ｌｂ ＩＷ 软件程序对 计算机 接收 到 由 ａＶＥ 的数据进行处理 ， 实现数据的实时显示 、 存储 、 报警 和打 印等功能 。为实现高精度测量 ， 考虑温度对超声波 速