超聲波測距儀設計及其應用分析

[摘要] 本文利用超聲波傳輸中距離與時間的關系，采用AT89C51單片機進行控制及數據處理，設計出了能測量兩點間距離的超聲波測距儀。該測距儀主要由超聲波發射器電路、超聲波接收器電路、單片機控制電路、環境溫度檢測電路及顯示電路構成。利用所設計出的超聲波測距儀，對不同距離進行了測試，并進行了詳盡的誤差分析。
[關鍵詞] 超聲波測距 單片機 溫度傳感器

隨著社會的發展，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。本設計的超聲波測距儀，可以對不同距離進行測試，并可以進行詳盡的誤差分析。

一、設計原理

超聲測距儀是根據超聲波遇到障礙物反射回來的特性進行測量的。超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射同時開始計時，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時。 通過不斷檢測產生波發射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發射超聲波和接收到回波的時間差T，然后求出距離L。基本的測距公式為：L=（△t/2）＊C
式中 L——要測的距離
T——發射波和反射波之間的時間間隔
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間，即可求得L。

二、超聲波測距儀設計目標

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

三、數據測量和分析

1.數據測量與分析
由于實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 六個距離進行測量，每個距離連續測量七次，得出測量數據（溫度:29℃）,如表所示。從表中的數據可以看出，測量值一般都比實際值要大幾厘米，但對于連續測量的準確性還是比較高的。
對所測的每組數據去掉一個zui大值和zui小值，再求其平均值，用來作為zui終的測量數據，zui后進行比較分析。這樣處理數據也具有一定的科學性和合理性。從表中的數據來看，雖然對超聲波進行了溫度補償，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，相對誤差分別達到了5%和4.8%。但從全部測量結果看，本設計的誤差都比較小，也比較穩定。本設計盲區在22.6cm左右，基本滿足設計要求。
2.誤差分析
測距誤差主要來源于以下幾個方面：
（1）超聲波發射與接收探頭與被測點存在一定的角度，這個角度直接影響到測量距離的值;（2）超聲波回波聲強與待測距離的遠近有直接關系，所以實際測量時，不一定是*個回波的過零點觸發;（3）由于工具簡陋，實際測量距離也有誤差。影響測量誤差的因素很多，還包括現場環境干擾、時基脈沖頻率等等。

四、應用分析

采用超聲波測量大氣中的地面距離，是近代電子技術發展才獲得正式應用的技術，由于超聲測距是一種非接觸檢測技術，不受光線、被測對象顏色等的影響，在較惡劣的環境（如含粉塵）具有一定的適應能力。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，是利用光電技術實現的，超聲測距儀的優點是:儀器造價比光波測距儀低，省力、操作方便。
超聲測距儀在*的機器人技術上也有應用，把超聲波源安裝在機器人身上，由它不斷向周圍發射超聲波并且同時接收由障礙物反射回波來確定機器人的自身位置，用它作為傳感器控制機器人的電腦等等。由于超聲波易于定向發射，方向性好，強度好控制，它的應用價值己被普遍重視。
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勢。因此，本課題的研究是非常有實用和商業價值。

五、結論

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

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