超聲波測距溫度補(bǔ)償(更新于0917)測試通過(已修改)
2025-04-07 04:17 本頁面
【正文】 實 驗 報 告?zhèn)鞲衅鲬?yīng)用技術(shù) 課程名稱 超聲波測距溫度補(bǔ)償 班 級 10電子1 姓 名 李百儀 學(xué) 生號 10732110 指導(dǎo)教師 承浩 20112012學(xué)年第二學(xué)期（一） 設(shè)計目的采用超聲波測量距離的方法，實時檢測現(xiàn)場溫度用以實現(xiàn)實際波速的校準(zhǔn)，減小溫度對測距產(chǎn)生的誤差，最終由LCD液晶顯示所測距離、溫度及對應(yīng)的波速，測量范圍為7cm~1m,誤差177。2cm。（二 ）設(shè)計方案超聲波傳聲器結(jié)構(gòu)簡單、行能可靠、成本低、易集成，因此采用超聲波測距的方式進(jìn)行距離測量。在常溫下，超聲波的傳播速度為340m/s，但其傳播速度V易受到空氣中的溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中溫度的影響最大。一般溫度每升高1攝氏度。表1為超聲波在不同溫度下的波速值。表1 一些溫度下聲速溫度T/℃3020100102030聲速v/ms1313319322331337344350由此可見溫度對超聲波測距系統(tǒng)的影響是不可忽略的。為了得到較為精確的測量結(jié)果，必須對波速進(jìn)行溫度補(bǔ)償。通過實驗可獲得波速與溫度之間的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停篤=+，T為現(xiàn)場溫度，V為實際波速。從式中可看出，要獲得精確的波速值，必須首先獲取現(xiàn)場溫度T的大小。本設(shè)計采用ds18b20檢測現(xiàn)場溫度，用以實現(xiàn)實際波速的校準(zhǔn)。 超聲波測距原理 超聲波傳感器分機(jī)械方式和電氣方式兩類，它實際上是一種換能器，在發(fā)射端它把電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成聲能，接收端則反之。本次設(shè)計超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電式超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，就成為超聲波接收器。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個數(shù)越多，能量越大，所能測的距離也越遠(yuǎn)。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波測距的方法有多種：如往返時間檢測、相位檢測法、聲波幅值檢測法。本實驗采用往返時間檢測法測距。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達(dá)測量目標(biāo)或障礙物后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時間即往返時間，往返時間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)。測試傳輸時間可以得出距離。假定s為被測物體到測距儀之間的距離，測得的時間為t／s。超聲波傳播速度為v/ms1表示，則有關(guān)系式(1)s=vt／2 (1)溫度補(bǔ)償及其原理目前，大多數(shù)溫度測控系統(tǒng)在進(jìn)行溫度測量時，通常采用模擬式溫度敏感元件，如熱電阻、熱電偶、紅外測溫儀等，將溫度轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過信號放大電路放大到合適的范圍，再由A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。此種形式的溫度測量結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量精度易受原器件參數(shù)影響。DS18B20是Dallas公司開發(fā)的1wire（單總線）高精度數(shù)字式半導(dǎo)體溫度傳感器，它具有節(jié)省I/O口弦資源，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，精度高，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等諸多特點。1wire是將數(shù)據(jù)線、控制線、地址線合為1根信號線。DS18B20的測溫原理如圖1所示，圖1中低溫度系數(shù)的晶振的振蕩頻率受溫度很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入圖中還隱含著計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進(jìn)行計數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將55℃所對應(yīng)的基數(shù)分別置入計數(shù)器1和溫度寄存器中，計數(shù)器1的溫度寄存器被預(yù)置在55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計數(shù)。如此循環(huán)直至計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖1中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中振蕩器溫度特性的非線性，以產(chǎn)生高分辨率的溫度測量。其輸出用于修正計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測溫度值。由經(jīng)驗公式V=+，實現(xiàn)溫度補(bǔ)償。圖1另外，由于DS18B20單總線通信功能是分時完成的，因此他有嚴(yán)格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)。 （三）硬件設(shè)計系統(tǒng)總體設(shè)計本系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、回波信號接收、顯示和單片機(jī)等硬件電路部分以及相應(yīng)的軟件部分構(gòu)成。
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