超声波测距范文

时间:2023-03-09 23:51:22

超声波测距

超声波测距范文第1篇

【关键词】超声测距 AT89C51

近年来,随着电子测量技术的发展,运用超声波精确测量已成可能。随着经济发展,电子测量技术应用越来越广泛,而超声波测量精确高,成本低,性能稳定则备受青睐。随着机器人技术在其诞生后短短几十年中的迅猛发展,它的应用范围也逐步由工业生产走向人们的生活。机器人通过其感知系统察觉前方障碍物距离和周围环境来实现绕障、自动寻线、测距等功能。超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉,测量精度较高,不受环境的限制,应用方便,将它与红外、灰度传感器等结合共同实现机器人寻线和绕障功能。超声波由于方向性强、衰减缓慢且在介质中传播的距离较远,因而经常用于距离的测量。主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等,例如:距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。利用超声波检测往往响应速度快,且计算方便、易于实时控制,测量精度也能达到工业现场的要求,因此在现代控制和工业现场该方法得到广泛的应用。

1 超声波测距的原理

超声波是指频率高于20kHZ的机械波,其频率较高,波长很短,在一定距离内沿直线传播,具有优异的束射性与方向性。超声波测距正是利用此特性,首先测出超声波从发射到遇到障碍物反射回来所经历的时间,再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。测距的数学公式表示为:

S=C×T

式中S为测量的距离;C为超声波在介质中的传播速度;T为超声波传播的时间(T为发射到接收时间数值的1/2)。

2 误差分析

由超声波测距公式S=C×T,可知测距的误差又两个因素,其一为超声波的传播速度误差,其二为测量距离传播的时间误差。

2.1 时间误差

如果要求测距误差小于1mm,假设已知超声波速度C=340m/s (20℃室温),忽略声速的传播误差。时间误差?t≤0.001/340≈0.000029s,即2.9μs。

忽略超声波传播速度误差的前提下,时间误差精度只要达到微秒级,就能达到测距误差小于1mm的要求。实际测量中用12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能可靠的计数到1μs的精度,即满足设计要求。

2.2 超声波传播速度误差

超声波的传播速度与空气的密度相关,空气的密度高则传播速度就快,而空气的密度与温度有着密切的联系。根据实际测量经验,超声波速度与温度关系如下:

C≈C0

公式中:T为空气的绝对温度。

C0为零摄氏度时的声波传播速度332m/s; 超声波测距过程中就必须把超声波传播的环境温度考虑进去,例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s。

3 系统硬件设计

单片机控制发出超声波,不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测出发射和接收回波的时间差ΔT,然后求出距离S=C.ΔT/2,式中的C为超声波波速。

首先我们知道AT89C51系列单片机内部是有2个16位定时器/计数器的,那么我们就用这个计时器进行计时。并且该系列单片机内部有一个寄存器,我们可以将从计时器获得数据进行处理并寄存在单片机的寄存器中,利用单片机软件编程与预存的超声波传播速度相乘,得出测量距离通过显示电路将数据显示出来。超声波测距系统结构图如图1所示。

单片机发出40kHZ的信号,经放大后通过超声波发射器输出;超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大,用比较电路进行检波处理后,启动单片机中断程序,测得时间为ΔT,等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整,使测量精度能够达到要求。再由软件进行判别、计算,得出距离数并送LED显示。用复位电路重置系统后可进行下一次测试。

4 系统软件设计

软件采用模块化设计方法,由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断子程序、温度测量子程序、距离计算子程序、显示子程序、键盘扫描处理程序等模块组成。

5 结论

该系统整体电路的控制核心为单片机AT89C51。超声波发射和接收电路中都对相应信号进行整形及放大,以保证测量结果尽可能精确。超声波探头接口实现超声波的发射和接收。等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整。整体结构包括超声波发射电路、超声波接收电路、放大电路、比较电路、震荡电路、单片机电路、键盘输入电路、电源电路、复位电路、显示电路等几部分模块组成。经过设计调试该系统能够满足一般近距离测距的要求,且成本较低、有良好的性价比。当今汽车普及到千家万户,倒车雷达的需求不可谓不大,而本设计方法可以广泛的应用于倒车雷达的测距中,所以其经济效益非常可观。

限制该系统的最大可测距离存在4个因素:超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差,可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。

作者单位

超声波测距范文第2篇

关键词 超声波;测距仪;单片机;数码管;脉冲

中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1671—7597(2013)032-036-01

目前国外非接触式电子测距方式主要有毫米波雷达测距、激光雷达测距、CCD立体视觉测距、超声波测距。在毫米波雷达测距这种测距方式中,测量距离远,测距精度较高,不受大雨、大雾和沙尘爆等恶劣气候环境的影响,是一种比较好的测距手段,但是成本很高;激光雷达测距测量距离远,成本较低,测距精度较高,但受环境变化的影响大,对被测物体反射面的粗糙和倾斜度有较高的要求;超声波测距范围较小,精度高,不受大雨、大雾和沙尘爆等恶劣气候环境的影响,而且产品成本很低。

国内目前在非接触式电子测距仪方面,也有毫米波雷达测距、激光雷达测距、CCD立体视觉测距等测距方式,相对于国外的同类非接触式电子测距仪,我们的产品精度相对较低、价格也相对便宜。

1 超声波测距的原理及特点

超声波脉冲在空气中的传播速度是已知的,如果我们知到了它的传播时间也就知道了超声波的传播距离,即距离=速度×时间,这就是超声波测量距离的基本原理。所谓的超声波是针对平常我们所讲的“声波”来说的,“声波”的频率是指20 Hz至20 kHz范围内的机械波,高于20 kHz频率的机械振荡波我们称为“超声波”,超声在介质的传播过程中,主要有以下几个特点:

1)40 kHz时是一个比较理想的测距频率,可以兼顾“定向性”和“衰减”两个特性。

2)超声波传播速度主要受温度的影响,温度越高,传播速度越快。

3)超声波在不同的介质中传输时,会有反射、散射、折射、衍射等现象。

2 系统总体设计方案

整个电路以按键、超声波接收头、温度传感器作为输入系统;以数码显示管、超声波发射头作为输出系统;以单片机作为控制系统。在具体的电路设计中,我们采用555定时器构成多谐振荡器产生40 kHz的脉冲,经过不对称组合非门的推挽驱动,传送到发射头传感器进行发射;接收头接收到反射脉冲后,先经过比较放大,再经过整形传送到单片机进行计算和处理;处理后的数据通过数码显示管进行显示。

3 误差分析及处理

3.1 温度对测量结果的影响及处理

超声在空气中传播的时候是会衰减的,其衰减主要是受到距离的远近、空气中的成分、空气的温度等因素的原因。而温度在每一天都可能变化比较大,一天中的早晚温差也可以会比较大,声速与温度变化的规律为:

V=331.5+0.607t

在温度变化1℃时,超声波的速度就变化0.607 m/s。在温度20℃时,即传播速度为343.74 m/s;在温度为21℃时,传播速度为344.347 m/s。那么也可以计算出在测量1 m距离时,误差为1.75 mm。可见温度的变化对超声波测量仪的影响是很大的,因此在不同的温度进行测量时,要以不同的声速进行计算。

3.2 其他主要因素对测量的影响及处理

1)接收脉冲的变化。超声波进行测距时,发射头发射由8-10个脉冲组成的超声波,超声波经被测物体表面反射再被接收头所接收。在这个发射、接收过程中,发射脉冲是从第1个脉冲开始计时,但接收时由于衰减的原因,可以是从第4个脉冲才接收到。这样在实际计算时,就造成了一定的延时,这就要深圳市我们在软件处理的时候减去这段延时所引起的误差。

2)减少漫反射引起的误差。超声波接收头所接收的脉冲,可能并不是被测物体表面反射回来的,而是由被测物体旁边的物体表面反射回来的。针对这种误差,主要的方法就是在采用超声波测距时,注意测量仪器与被测物体之间的角度关系。

3)减少直达波的影响。在超声波的测距过程中,发射传感器发射的40 kHz的脉冲,一部分定向被测物体传播并反射到接收头,而另一部分脉冲并没有经过被测物体的反射就直接传播到附近的接收头,并立即引起“中断”,针对这种现象引起的误差,我们在计算超声波测距时间时,必须延时一段时间后再开启单片机中的“计时器(定时器)”,这样可以减少这种现象引起的误差。

4 特色

1)用单片机作为控制核心器件,通过软件设计来进行大部分控制,这样做使得控制灵活,在减少误差、提高精度的同时,以可以大大降低硬件设计成本。

2)采用温度补偿,减少声波因温度,而引起的测距误差。超声波在传播过程中,温度每升高1℃时,1秒钟传播的速度加快60厘米左右。在软件设计过程中,对于不同的温度,我们采用不同的声速来进行计算,达到提高精度、减少误差的目的。

3)采用较高频率晶振。晶振频率越高,那么计时就越精确,在进行测量距离计算时,得到的数据也就越精确。

5 结束语

本人在设计和实验实践的过程中,也发现了超声波测距在目前存在的一些问题,如超声波测量的距离还不够远、精度难以提高到毫米级,如果要测量的距离比较远、精度要求又极高的情况,则对超声波测距仪整个电路的功率、发射器的发射功率以及接收器的灵敏度都提出了很高的要求。这些问题的解决一方面需要工艺、化学、材料科技的发展,另一方面需要科研者不懈的追求、努力和实践。

参考文献

[1]时德刚,刘哗.超声波测距的研究[J].计算机测量与控制,2002(10):34-36.

[2]金生龙,刘赞毅,黄峰,等.超声波测距中多径效应的仿真研究[J].传感器世界,2011(01):21-24.

[3]陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术(第二版)[M].武汉:华中理工大学出版社,1999.

[4]田静.声学——科学、技术与艺术(中国科学院研究生院演讲录,第一辑)[M].北京:科学出版社,2002.

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超声波测距范文第3篇

【关键词】单片机;超声波;测距

1.引言

随着社会的发展,机动车的数量日益增长,由于驾驶员的技术和对障碍物远近的主观判断失误引起的交通事故占很大的比例,所以倒车雷达的作用越来越重要,研究倒车雷达也是现在比较热门的一项技术,而倒车雷达中最重要的指标是测距的精度。本文所设计的超声波测距系统采用的是以STC89C52RC单片机为主控的超声波测距倒车雷达系统,当车子进入警戒区域时,能够实时的报警提醒驾驶员,提高驾驶的安全性。

2.超声波测距系统设计

超声波测距系统主要由单片机控制模块、超声波测距收发模块、LCD显示模块、报警模块组成,能够测量(2cm~4m)范围内的障碍物,超声波测距系统框图如图1所示。

图1 超声波测距系统框图

工作时,NE555芯片产生40kHz频率供给超声波测距接收模块,然后由主控模块单片机STC89C52RC芯片对数据进行分析处理计算出具体的距离,并传送到LCD12864液晶屏显示测量的结果,共同组成一个倒车雷达系统。

2.1 单片机控制模块的设计

STC89C52RC是STC公司生产的一种高性能、低功耗的CMOS 8位微控制器,它在经典的MCS-51内核做了很多改进,芯片内部具有 8K 在系统可编程Flash存储器。具有传统的51单片机所不具备的功能。

单片机控制模块是一个单片机最小系统,由电源电路、时钟电路和复位电路组成。单片机最小系统电路图如图2所示:

图2 单片机最小系统电路

2.2 超声波发射模块

当超声波利用声波的传送来测量距离时,需要一个40KHz的频率,来使超声波测距工作。40KHz的频率可以用单片机产生,也可以用NE555产生。NE555产生的频率稳定控制方便。如图3所示,当SW1开关拨到VCC端时,NE555连续发射频率;当接到KZ端时,由单片机来控制是否发射频率,RST为高电平时发射,低电平时不发射。40KHZ_SEND将产生占空比约为1:2的40kHz的频率,40KHZ_SEND接到超声波测距收发模块。

图3 超声波发射模块

2.3 超声波接收模块

集成电路芯片CX20106A是一款专用于检波接收的,可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等功能,具有很强的灵敏性和抗干扰能力。当CX20106A接收到40kHZ的信号时,会在芯片第7脚产生一个低电平下降沿脉冲,这个信号可以接到单片机的外部中断引脚,作为中断信号输入,也可以利用它制作超声波接收电路。超声波接收模块如图4所示。

图4 超声波接收模块

2.4 显示模块

显示模块选用的是性价比较高,编程比较容易的LCD12864液晶模块。它具有多种串行和并行多种接口模式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵液晶显示模块;显示分辨率为128×64,可显示8×4 行16×16 点 阵的汉字. 也可完成图形显示。

3.软件设计

超声波测距的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号,当这个超声波遇到被测物体后反射回来,就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间,就可算出超声波发生器反射物体的距离。距离的计算公式为:

d=s/2=(c×t)/2

其中,d为被测物与测距仪的距离,s为声波的来回的路程,c为声速,t为声波来回所用的时间。

在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0,利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时,接收电路输出端产生一个负跳变,在INT0或INT1端产生一个中断请求信号,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,显示结果,和给定的警戒距离进行比对,如果小于警戒距离开始报警。超声波测距系统流程图如图5所示。

图5 超声波测距系统流程图

4.结束语

经过实验测试,在4米之内,角度小于15°的情况下,超声波测距系统的显示结果相对比较准确,但不足之处是当距离比较远,角度比较大时,超声波测距系统的显示结果误差还是挺大的,还需要继续改进。

参考文献

[1]李光飞.单片机课程设计实例指导[M].北京:北京航空航天出版社.

[2]叶涛.陈红军.基于DSP的多超声测距数据采集处理系统[J].电子技术应用,2004.

[3]李华.MCU-51系列单片机实用接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社.

[4]张景路.51单片机项目教程[M].人民邮电出版社,2010.

超声波测距范文第4篇

关键词: Matlab; 超声场分布; 发射频率; 超声波换能器

中图分类号: TN710?34; TP391.9 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2014)05?0101?04

0 引 言

对于超声波测距系统而言,超声波的分布关系到被测物体定位的可靠性和准确性,因此在超声波检测的研究中,超声波声场的模拟尤为重要。从目前国际上的研究现状来看,超声波的模拟主要包含了:工件中声场分布的模拟,声源发射声场的模拟,各向异性材料和高衰减的不均匀材料中声场模拟等,这方面研究包括瑞典乌普萨拉大学开放的基于Matlab的工具箱程序包DREAM,法国的Pierre Calmon先生等创建的Champ?sons数学模等。我国的超声检测模拟和仿真技术的发展相对滞后,新技术研发中计算机技术的应用一直是我国超声检测的薄弱环节。20世纪90年代,浙江大学开发了CAPPNDT系统,冶金部压力容器站研发了NDTS软件,标志着我国超声检测模拟技术得到了进一步发展。但从整体上看,我国在超声检测模拟和仿真技术方面的研究成果相对较少。

1 超声场理论研究

1.1 描述超声场的物理量

超声波声场即在介质中超声振动所波及的质点所占据的空间范围。超声波声场的大小形状受到各种因素的影响,通常采用声压、声强和声阻抗等物理量描述超声场。

2 超声波探测模块

为了研究超声场的特性,选择超声波接收发射模块,对其声波特性进行检测,模块实物图如图2所示。该模块所采用的是间断多脉冲发射,发射电路主要由反向器和超声波发射传感器构成,单片机端口输出的方波信号一路经一级反向器后送到超声波传感器的一个电极,另一路经两级反向器后进到超声波传感器的另一个电极。超声波接收器将超声波调制脉冲转换为电压信号,超声波接收换能器晶片接收到超声波垂直作用后,因谐振而形成逐步加强的机械振动。

3 超声场模拟仿真

3.1 换能器圆盘声源轴线上的声压分布

尽管实际声场与理论分析有所差异,但是在远场区是基本符合的,所以基于该理论推导并仿真出来的实验结果,基本满足实际的测距系统要求。

4 结 语

影响测距系统精度的因素很多,包括超声波传播过程的衰减和环境温度等。因此本系统采用了多级放大电路放大接收的信号,并引入了温度补偿技术,以提高其测量精度。本研究采用基尔霍夫积分法,推导出了超声波换能器在圆盘声源轴线上、远场任意点和声束横截面上的声场,利用Matlab对均匀介质中的超声波声场进行模拟并将模拟结果可视化,总结了超声波声场的传播特性和分布规律,可以有效地降低检测成本。因此,将可视化技术应用于无损检测和超声波声场的模拟中具有重要的实际意义。

注:本文通讯作者为陈文娟。

参考文献

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[5] 吴飞斌,张晋平,陈文娟.太阳能超声波导盲器的研制[J].现代电子技术,2011,34(17):137?140.

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[10] 杨庆,陈桂明,董振旗.一种改进的高精度超声测距方法研究[J].计算机技术与发展,2010,20(12):209?212.

超声波测距范文第5篇

关键词:监测;报警;超声波;非接触性

1 概述

运输皮带是物料短途运输的重要设备,广泛应用于矿山、农业、食品、烟草等生产行业。皮带跑偏是运输皮带作业过程中最为常见的故障,其危害性极大,皮带跑偏轻则造成撒料、皮带磨损;重则由于皮带与机架剧烈摩擦引起皮带软化、烧焦甚至引起火灾,造成整个生产线停产。所以及时、准确地检测皮带跑偏具有非常重要的意义[1]。

目前皮带跑偏检测主要的方法是使用跑偏检测开关,即行程开关。使用时将行程开关成对安装于输送机头部或尾部,当皮带跑偏时皮带边缘接触压迫行程开关触头产生移动触发报警。跑偏检测开关是机械式开关,采用接触式检测方式,当其应用于如煤矿井下等较为恶劣的生产环境时,极易被煤尘、泥污、油泥等影响,易发生误报、漏报等故障。因此,跑偏检测开关的故障率较高。为保障跑偏检测开关正常工作,需专职人员人工对开关进行定期维护,使用的人力成本较高。

文章在于提供一种基于超声波测距的皮带检测报警装置,是采用非接触式检测原理的、运行可靠、便于实施、维护成本低的检测运输皮带跑偏的新设备。

2 工作原理分析

超声波监测报警装置如图1所示,主要包括超声波测距单元、人机交互单元、数据处理单元、通信单元和报警单元。通过超声波测距仪测量获得超声波测距传感器至皮带的边缘距离,以此来判断皮带是否跑偏。基于超声波测距的皮带监测报警装置安装如图2所示。

超声波测距仪(102)工作原理:

超声波测距仪主要是由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块所构成。超声波测距可以用相位检测、声波幅值检测、渡越时间检测。相位检测法的精度最高,但测距量程不高,声波幅值检测受介质影响较大,因此,目前超声波测距一般采用渡越时间法,因此,文章采用的是渡越时间法进行超声波测距[2]。

渡越时间法:利用超声波发射器向某一方向发射超声波, 在发射时刻的同时开始计时, 超声波在空气中传播, 途中碰到障碍物就立即返回来, 超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:s=340t/2。

3 具体实施方式

(1)所述监测报警装置如图1所示实施例中,包括:

超声波测距单元(101),采用测距距离大于3米的小波束角发射接收一体化超声波测距传感器(102),可采用深圳导向机电技术有限公司的KS109超声波测距模块。

通信单元(103),包括输入端口(104)和输入端口(105),数据输入端口接一超声波测距传感器(102)发送的测量数据,采用I2C总线通信方式。数据输出端口将数据发送给其它设备,采用RS485通信方式与报警单元、皮带控制设备(如PLC)及其它监控设备连接[3],当皮带跑偏时发送报警信号控制皮带停止运转,保护相关设备。

人机交互单元(106),包括显示屏(107)和按键(108),显示屏采用两行点阵型LCD液晶显示模块,视域尺寸:60.5×18.0mm,54.8×18.3m。

报警单元(109),采用声光报警器(110)具有喇叭和报警灯,实现声光报警功能,通过RS485接口与通信单元连接通信。

数据处理单元(111),处理器(112)用于执行数据比较处理工作,实施时可使用MCU,也可使用FPGA实现。

辅助电路(113),除以上提到的各单元设备外,装置还包括电源电路等辅助电路和相关元件,为各单元设备元件提供支持,如在煤矿井下使用下所有元件及电路应符合本质安全要求。

(2)所述监测报警装置安装示意图参考图2。

超声波测距传感器(203)分别安装于位于支架(202)上,位于运输皮带(201)两个边缘上方,且安装高度相同,安装高度高于物料高度,为保证监测精度超声波测距传感器应尽量靠近皮带表面;两个超声波测距传感器中心位置连线垂直于皮带运行方向。除超声波测距单元的其他单元元件集中在装置壳体(204)内,装置壳体可安装在的支架上。

(3)监测报警的具体实施步骤如图3所示。

(301)判断装置是否已经校准,如未校准,则进行位置校准(302),如已校准则执行(303)。直接检测。

(302)位置校准,校准时需对位置正常的皮带使用超声波测距设备进行测量,获得超声波至皮带的边缘距离AL和AR,计算AL-AR,如|AL-AR|>G,则调整支架(202)倾斜度使|AL-AR|

(303)通信单元接收超声波测距仪测量获得超声波测距传感器至皮带的边缘距离BL和BR。

(304)数据处理单元比较器通过比较实时皮带的边缘距离,如

|BL-BR|>F,则执行(305),否则返回(303)。

(305)判断BL-BR是否大于零,如大于零则皮带向右跑偏,如小于零则向左跑偏。

(306)装置声光报警并在显示器显示相关信息,并向皮带控制设备发送控制信号。

4 结束语

文章利用超声波测距仪提供一种基于超声波测距的皮带监测报警装置,采用非接触式检测原理,运行可靠且维护成本低。通过具体实施能够准确监测皮带是否发生跑偏,从而保证了生产线的安全。该装置涉及超声波测距和通信等领域。

参考文献

[1]赵立华,郎毅翔,付大鹏.带式输送机典型故障的分析及处理[J].起重运输机械,2003(10).

[2]JosephCJackson,Summan R.Time-of-Flight Measurement Techniques for Airborne Ultrasonic Ranging[J].IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS.2013,13(19):75-90.

[3]田拥军,赵光强,曾健平.基于RS485总线技术的PC机与单片机多机通讯设计[J].湖南工程学院学报,2007(6).

超声波测距范文第6篇

关键词:超声波测距技术;汽车维修;检测

前言

在汽车故障检测的过程中,由于人工检测存在着很大的误差,不利于维修工作的顺利开展,因此,需要借助于一些检测技术,采用智能检测的方法进行检测,这样才能够确保检测的准确性。在如今的汽车维修行业中,超声波测距技术被广泛的应用于汽车故障检测中,超声波测距技术具有检测的准确性高,检测时间短等优势。在汽车检测实际应用的过程中,需要了解超声波测距技术的相关原理及其影响检测准确性的相关因素,才能够利用超声波测距技术做好汽车维修与检测工作,下面针对于超声波测距技术在汽车维修与检测中的应用进行了具体的探讨。

1 超声波测距技术原理

超声波测距技术主要是利用压电晶体的谐振进行工作的。主要就是通过测得的超声波的时间进行距离的测定,并且根据数学公式:速度×时间=距离。而在汽车维修检测中,也是通过运用超声波测距技术的原理进行故障的检测,进而运用速度,时间和距离的关系分析出汽车故障的位置及其原因[1]。

2 超声波测距技术在汽车维修与检测中的应用

2.1 在单元电路设计中的应用

在汽车维修和检测的过程中,会经常用到控制电路、超声波测距电路、显示电路、语音播报电路等,这些都属于单元电路,在本文中提到的超声波测距技术在这些单元电路中都有应用。例如,控制电路在设计上是通过一个系统板来控制电路发射出一连串的信号,再经过放大来接受反射回来的信号,通过信号的发射和反射,可以计算出相应的距离,然后再通过LCD显示模块将其显示出来,并进行语音模块将信息播报出来[2]。超声波测距电路与控制电路有些相似,开始也是要通过特点的传感器来发出信号,有所不同的是它要被动的接受信号,并不是通过反射来接受的,而,是通过超声波的发射到接受的时间差实现测量距离的;显示电路主要应用到LCD液晶显示器上,是通过传感器超声波发出到接受的过程来测定车辆与障碍物的距离,并通过LCD液晶显示器显示出来;语音播报电路与LCD显示器一样都是一种本身具有的表态形式,将超声波测量、检测的结果用语音的形式播报出来。可以通过这些单元电路来检测车辆的形式动态,另外还有很多设备中也应用到超声波测距技术,这些软件对车辆的维修和检测工作都起到了重大作用[3]。

2.2 在软件设计中的应用

超声波的发射和接受程序软件,在汽车维修和检测中经常用到,例如,计时器的开始计时和结束计时,是通过超声波的发射来启动计时程序,主要是采用超声波发射序列来实现定时的功能,再通过外界方波的序列终端计时程序,使计时结束;液晶显示程序软件,是与超声波有着密不可分的联系,尤其是显示器上的颜色指示灯,可以根据超声波的超差距离、实测距离、合格距离等综合判断来显示不同颜色的指示灯,明确的表示出汽车的检测状态。

2.3 超声波在汽车检测中的设计方案比较

超声波应用到汽车检测设计中,主要以三种检测方案进行的。(1)直接检测方式,是对两个不同的位置进行直接检测的方式,检测结果经过视频放大器可以设定多倍显示,但是,这个过程中需要使用变压器,不利于相关的调试工作;(2)一体式反射检测方式,需要做好发射和接受时电路的转换工作,该检测方案如果是在距离较近的情况下,会存在无法检测的盲区,而且,在试用中很容易产生震荡的现象,使汽车的检测工作不准确;分体反射检测方式,是一种串联方式的检测方案,在这种串联谐振频率下,超声波的发射器可以具有较高的灵敏度,而且,接收器还会在反谐振平率下也一样具有较高的灵敏度[4]。因此,使用分体式反射检测方式,不仅便于调试,而且,在检测的过程中就算距离近也不会产生盲区的现象,有效的提高汽车检测的效率,但是,在使用该方式时需要注意的是,由于使用的超声波接收器的电压高低之间大概有100倍的差距,因此,必须要采用高速型的运算放大器才能让这种检测方式发挥出更大的检测效果。

3 影响超声波测距技术的因素

3.1 温度

在应用超声波测距技术的过程中,需要充分的考虑温度对其的影响,如果汽车维修人员在采用该技术进行检测的过程中,忽略了温度,将会严重的影响到检测结果的准确性。主要是由于温度的变化会影响到超声波的传播速度,并且温度越高,超声波的传播速度会越快,进而影响到计算结果的准确性[5]。因此,在采用超声波测距进行检测的过程中,需要根据大气的温度,确定超声波的传播速度,再进行计算,这样才能够确保检测结果的准确性。

3.2 接收脉冲的变化

接收脉冲的变化也对超声波测距技术检测的准确性具有影响。由于超声波具有衰减的特征,而在实际的检测中,在接收脉冲的过程中,存在着一定的延时性,这样在具体的对超声波进行计算的时候,就会出现一定的误差,影响到计算结果的准确性。因此,在汽车维修检测的过程中,需要充分的考虑到接收脉冲的变化。

3.3 信号传递中的漫反射

由于在超声波传播的过程中,会受到物体的影响导致漫反射问题的出现,进而影响到检测的结果。因此,要想在实际的测量中避免这类问题的出现影响到检测的准确性,需要根据实际的检测地点,选好检测的角度,尽量的减少信号传递过程中的漫反射,有助于检测结果的准确,为汽车维修工作提供有效的数据依据[6]。

3.4 直达波的影响

在利用超声波测距技术进行检测的过程中,还会受到直达波的影响,由于一部分脉冲会被测物体传播并反射到接收头,而另一部分脉冲会直接传播到附近的接收头,进而导致测量误差的出现,如果在进行结果计算的过程中,采用该种结果进行计算,会严重的影响到检测结果的准确性,不利于检测工作的顺利开展。

4 结束语

本文主要针对于超声波测距技术在汽车维修与检测中的应用进行了具体的分析和研究,通过本文的探讨,我们了解到,在汽车维修行业应用超声波测距技术的时候,需要全面的了解其原理及其影响超声波测距技术的各种因素,进而根据汽车维修和检测的实际特点,在检测的过程中对于各种影响因素进行规避,能够有效的减少测量误差的出现,提高检测的准确性,使超声波测距技术更好的为汽车维修工作服务,促进汽车维修工作的顺利进行。

参考文献

[1]仇成群,胡天云.基于超声波的汽车防撞报警系统的设计[J].制造业自动化,2009(04).

[2]魏泉.超声波测距技术在轨道吊防撞功能中的应用[J].港口科技,2009(07).

[3]王祖麟,谢毓.超声波测距在汽车停车泊位中的应用[J].轻型汽车技术,2009(Z3).

[4]廖通.汽车维修故障诊断的实用方法[J].科技创新导报,2009(24).

[5]王启宇.超声波测距系统的研究[J].农机使用与维修,2009(03).

超声波测距范文第7篇

关键词:超声波;测距;小车设计;测量技术

中图分类号:TP311 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2016)17-0246-02

近几年电子测量技术逐步发展,现在已经能够成功地运用超声波来精确测量距离。超声波测距不会受到被测量对象以及所在空间的光线影响。超声波检测还可以对各类液体装置的位置距离和里面的材料位置高度进行比较,从而设定它们之间的距离差值并且直接显示。因此,在现如今科技飞速发展的时代,我们可以把超声波测距系统更广泛具体的用在汽车的行驶与防撞上。基于此方面,设计在超声波测距的基础上加了跟随小车。

1系统原理及硬件介绍

系统实现了基于AT89C52单片机的小车智能跟随功能。为此,设计了超声波测距模块、定位模块以及无线电通信实时控制跟随。这套系统采用硬件电路设计和软件设计相结合的方式,具有模块化和多用化等特点。除此之外,用超声波检测更容易实现同步及时的控制,因为它方便又迅速并且计算起来还简单,所以其能够达到工业实用对测量精准度的要求。

1.1系统原理

在智能小车上装两个超声波发射探头,人身上再带着一个接收探头。通过测距算法算出距离。当超过一定距离时,小车收到报警跟上人的步伐前进,实现跟随。

超声波测距工作流程框图如下图1所示:

1.2硬件设计

硬件系统主要有超声波数据采集模块、小车驱动模块、主控器和报警模块组成。系统硬件部分的整体框图2如下所示:

小车的运动控制由电机驱动模块以及单片机最小系统组成。智能小车以AT89C52为核心,经过焊接相关芯片然后用电路板自制而成。它通过无线通信接收测距系统发送来的控制信号,再输出信号到L293D,从而驱动直流电机控制其行驶。小车驱动电路采用的是基于双极型H桥型脉宽调制方式(PWM)的集成电路L298N,它的内部有两个高电压、大电流桥式驱动器。

系统采用的是HC-SR04超声波测距模块。该模块可以提供2cm-400cm的非接触式的距离感测功能,测距精确度可以达到3mm【1】。HC-SR04超声波测距模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

超声波发射模块原理图如下图3:

超声波接收模块输出信号原理图如下图4:

测距系统是采用IO口TRIG触发来检测距离。给至少10us的高电平信号输入,然后该模块会自动发送8个40kHz的方波,并且会自动检测是否有信号返回。若有信号返回,那么会通过IO口ECHO输出一个高电平,则高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。则测试距离=(高电平时间*声速(340m/s))/2。【2】

2主要技术

2.1超声波测距技术

超声波在空气中的传播速度大约是340m/s,根据计时器记录的时间t,便可计算出发射点距障碍物面的距离s,即:s=340t/2。

上式中:H表示超声波两个探头之间中心距离的二分之一。

而超声波的传播距离为:

上式中:v表示超声波在空气中的传播速度;

t表示超声波从发射到接收所需要的时间。

把式(2)、(3)代入式(1)中便可以得到:

中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数,如果当被测量的距离L远远大于H时,则(4)变为:

因此,只要测量出超声波的传播时间t,就可以计算出所要测量的距离L【3】。

为了保证测量距离的准确度,需要设计一个温度补偿电路。空气中声速与温度的关系可以表示为【4】:

v=331.4×

式中,T为环境摄氏温度℃。

该温度补偿电路系统采用了National Semiconductor所产生的温度感测器LM35。其输出电压与摄氏温标呈线性关系,即0℃时输出为0V,每升高1℃,输出电压增加10mV。

2.2定位技术

定位节点由超声波模块、无线通信模块、微处理器模块、电源模块部分组成。超声波发射器通过单片机控制时序,然后向四周扩散信号来搜索需要定位的节点。超声波发射的射频信号的传输时间是可以忽略不计的,因为它的速率比超声波的速率要高很多。所以如果同时发送射频信号和超声波信号的话,需要定位的节点会先收到发送来的射频信号然后九年开启超声波的接收模块并同时启动定时器,再之后接收模块接收到超声波的同时停止定时器。由此,超声波发射器再通过测量超声波与射频信号之间所用的时间差,从而来计算发射点与需要定位的节点之间距离。

2.3跟随技术

通过超声波测距原理,再加上三角形定理,在智能小车上装两个超声波发射探头,人身上再带着一个接收探头。根据测距算法算出距离,当超过一定距离时,小车收到报警跟上人的步伐前进,实现跟随。

3系统测试与误差分析

3.1系统测试

设计主要是基于超声波测距来实现智能小车的跟随,所以可以观察不断改变人与小车的距离时小车反应所需要的时间。实验在20℃环境下进行,实验结果如下表所示:

3.2误差分析

3.2.1误差来源

引起小车不同距离下响应的时间不同的原因有很多,一般有以下三种主要的误差来源:

(1)超声波信号在传播的过程中会减弱;

(2)从收到声波到被检测出会存在一定滞后;

(3)启动计时和启动超声波发射之间存在一定的偏差。

3.2.2减少误差措施

针对出现的第一个问题,所采用的解决办法是用TL852电路进行声波检测。因为它可以变增益,利用单片机来根据时间去控制声波信号。至于第二个问题,可以采用设置多个探头的办法。关于启动计时和启动超声波发射之间存在偏差的问题,则可以用无线电作为反馈信号【5】。

4 结论

介绍了超声波测距原理及小车跟随原理,运用超声波传感器及无线通信实现了小车同步跟随。通过实验可见,小车反应灵敏,能与人保持约5米之内的距离同步跟随。设计的创新之处与所取得的主要成果是:具有多用化的特点。设计中的超声波测距模块能够应用于机器人的距离信息采集、汽车防撞测距等众多方面。因此具有很大的移植应用价值。

参考文献:

[1] 李缓媛,张强,黄敏捷,刘坤.基于超声波测距的车辆音量调节系统[J].实验室研究与探索,2013(7).

[2] 赖林弟,胡海燕,胡克满.智能挡车器控制系统的设计[J].软件导刊,2012(4).

[3] 兰羽,周茜.超声波测距系统接收电路研究[J].电子设计工程,2012(7).

[4] 刘金鹏,郭国,陈静,张福安,李丽欣,刘安平.电缆下方作业车防触电测距报警系统[J].电子制作,2010(9).

超声波测距范文第8篇

【关键词】超声波测距;LCD12864;发射器;接收器;单片机

1.引言

随着科学技术的发展,超声波测距也越来越起到很大的作用。由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量,如车辆上安装了超声波,给停车、避障提高了准确性,减少了交通事故的发生;如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制并且在测量精度方面也能达到工业实用的要求

2.模块介绍

2.1 超声波测距模块介绍

超声波测距模块可以直接购买如图1所示的模块,其模块有4个引脚输出,Vcc供5V电源,TRIG为触发控制输入端,ECHO为回响信号输出端,GND为地线。

该超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能,模块内部包含了超声波发射器,接收器与控制电路。使用时,只要根据时序图,用程序来实现数据采集及显示。

2.2 LCD12864显示模块介绍

液晶显示模块是128*64点阵的汉字图形型液晶显示模块,课显示汉字及图形,内置国标GB2312码简体中文字库(16*16点阵)、128个字符(8*16点阵)及64*256点阵显示(GDRAM)。可与CPU直接接口,提供并行与串行两种连接方式,但我们一般采用并行传输方式,和单片机的连接图如图3所示,具体使用可参考LCD12864的使用说明书,按照指令的要求去编写程序来实现实时显示。特别强调的是:

(1)当模块在接受指令前,先检查内部是否处于非忙碌状态,即读取BF标志,标志为0时,方可接受新的指令,可以专门用一个判断是否忙的函数来检测。程序模块如下:

(2)欲在某一个位置显示中文字符时,应先设定显示字符位置,即先设定显示地址,再写入中文字符编码。

(3)显示ASCII字符过程与显示中文字符过程相同。不过在显示连续字符时,只须设定一次显示地址,由模块自动对地址加1指向下一个字符位置,否则,显示的字符中将会有一个空ASCII字符位置。

(4)当字符编码为2字节时,应先写入高位字节,再写入低位字节。

汉字的显示坐标如表1所示,定义显示值时,在程序编写时要设置好。

具体实施时,只要给出两个参数,即可在相应位置显示,程序代码如下:其中y表示第几行,x表示起始行位置。

有了以上这些基本的简介后,我们就可以很容易根据LCD12864的说明书,分别写出写指令写函数等,然后把超声波测出的距离值实时代入给液晶显示函数,从而实时显示出超声波测出的前方障碍物的距离值。

3.超声波测距并显示的硬件设计

3.1 系统框架图(如图2所示)

3.2 单片机与超声波模块连接并显示的原理图

其原理图很简单,就是单片机的最小系统模块加常用的LCD12864显示模块,还有就是超声波测距模块的4个引脚,具体原理图如图3所示。

3.3 超声波测距的工作时序图

有了系统框图及原理图和超声波的工作时序图(如图4),我们就很容易利用单片机来实时测距并实时显示。以上时序图表明单片机在控制时只需要提供一个10uS以上的脉冲触发信号,该模块内部讲发出8个40Kz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回波信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号的时间间隔可以计算得到距离。对于12864的显示原理及显示时序在此不再详述。

4.超声波测距原理及软件设计

超声波测距的基本原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间,根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见,超声波测距原理与雷达原理是一样的。首先给TRIG端触发测距,给至少10uS的高电平信号,以此来触发内部的发射器产生40KHz的超声波,同时单片机不断检测是否有回波,当一检测到回波信号是高电平,马上启动定时,开始计时,同时开中断,通过ECHO输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。所以测量距离为:

测量距离=(时间*声速(340M/S))/2具体流程图如图5。

建议测量周期在60ms以上。计算是取出的值如何转换,首先把定时器的值取出合并,然后根据晶振值换算出距离公式,具体程序模块如下:

注意事项:

(1)在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速是基本不变的。

(2)此模块不宜带电连接,若要带电连接,则先让模块的接地端接地。

(3)测距时,被测物体的面积不少于0.5平方米且平面尽量要求平整,否则影响测量结果。

(4)由于超声波有测量盲区的固有特性,因此,如果近距离测量时,当测量位置发生变化而接收到的数据不变时,说明进入了测量盲区。

(5)模块在测量远处物体时,如果没有测量数据返回,可能是超出测量范围,或是测量角度不对。可以适当调整测量角度。

5.结语

本设计软件采用模块化设计,硬件设计简单实用利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,所以超声波经常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现,在移动机器人小车上经常加个舵机,利用超声波测距就可以很容易实现超声波避障小车。超声波测距将会应用在越来越多的领域,也会带来更多的便利。

参考文献

[1]郭天祥.新概念51单片机C语言教程:入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京电子工业出版社,2009.

[2]孙贤安,等.基于51单片机的小车蔽障电路实现[J].电气技术与自动化,2006.

[3]赵海兰.基于单片机的红外遥控智能小车的设计[J].电子世界,2011.

超声波测距范文第9篇

Abstract: By the advantages of high directivity, slow energy consumption and long propagation distance in the medium, the ultrasonic is widely used in the distance measurement. Compared with other detection methods, as a contactless detection method, the ultrasonic is not affected and controlled by the light and the color of the measured object in the detection process. This paper introduces the principle and method of the velocity and distance measurement by the ultrasonic. Taking STC89C52RC as the primary controller, the ultrasonic drive signal is launched by the timer and 12864 LCD display and ISD4004 voice broadcast of the measuring results are realized by the dynamic scanning method.

关键词: 超声波;测距测速;单片机;液晶显示;语音播报

Key words: ultrasonic;distance and velocity measurement;singlechip;LCD;voice broadcast

中图分类号:TH761 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2014)32-0065-02

0 引言

对于蝙蝠等一些无目视能力的生物来说,借助超声波定位技术进行防御、捕捉猎物等维持自身的生存,也就是生物体发射超声波(超过20kHz的机械波),一般不能被人们所听到,这种超声波是借助空气等媒质进行传播,借助被捕捉的猎物或障碍物反射回来的回波的强弱和时间间隔的长短判断猎物或障碍物位置的方法,根据这一原理,人们提出了超声波测距。

近年来,为了满足导航系统、工业机器人自动测距等方面的需要,自动测距的重要性逐渐显示。超声波技术已成为一门以物理、电子、机械及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。

1 超声波测距测速的原理

超声波测距的方法有多种,主要包括:相位检测法、声波幅值检测法等。其中,相位检测法的检测精度比较高,但是检测范围有限;声波幅值检测法在检测过程中容易受到反射波的影响和制约,检测精度不高。

本设计硬件设计采用超声波往返时间检测法。工作时,单片机驱动超声波发射探头发出一连串的超声波脉冲,超声波发射探头发出最后一个脉冲后,给单片机提供一个短脉冲,单片机开启计数器开始计时,超声波接收探头则在接收到被测物体反射回来的反射波后,也向单片机提供一个短脉冲,单片机关闭计数器。计数器所计时间即超声波往返于探头与被测物体所用的时间。这个时间间隔乘以超声波在此环境温度下的声速,即为超声波在这个时间段内的行程。当超声波发射探头和接收探头之间的距离相对于两探头到被测物体之间的距离很小时,可以认为行程的一半即为所要测的距离值;当超声波发射探头和接收探头之间的距离相对于两探头到被测物体之间的距离不可忽略时,前面的假设则不能成立,所以超声波检测有一个允许的最小测量范围。其次,由于超声波发射探头发出的超声波并不是理想的绝对沿直线传播,其中,一部分超声波没有经过被测物体反射就直接绕射到接收探头上,这部分信号是无用的,进而在一定程度上产生系统误差。在设计过程中,采用延时技术解决这一问题。发射探头发射超声波后,通过增加延时,借助软件关闭所有中断,对此期间接收到的任何信号接收电路不予理睬,之后再等待反射信号的到来。所以,这又使得系统不可避免地产生了测量盲区。经过检验,本系统的盲区为2cm,即被测物体在2cm以内时,系统不能检测。所以本次测量的最小距离为2cm。

由于相邻的两次发射超声波脉冲的时间间隔为一定值,即发射超声波的频率一定。连续发射两次超声波脉冲测得的两个距离值求差除以这个时间间隔即得物体的平均速度。而超声波的发射频率很高,故可认为此平均速度为物体的瞬时速度,实现实时测速的功能。

2 系统硬件、软件设计

单片机是本系统的控制核心部分,采用宏晶科技推出的STC89C52RC芯片。发射电路采用74LS04六反向器,通过它对单片机产生的方波信号进行放大。接收处理电路采用的是CX20106A电路、LM358电路和LM567锁相电路,通过接收电路对接收到的信号进行增益放大和锁相整形,最终再输出稳定准确的脉冲给单片机。显示部分采用了型号为FG12864E的单色128×64点阵液晶显示模块,利用了该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令;采用动态扫描的方式,通过单片机译码,实时显示测量的距离或速度值。语音播报部分采用美国ISD公司推出的ISD4004语音芯片,与液晶显示配合实时的对测量的距离或速度值进行语音播报。

超声波测距测速仪原理框图如图1所示。

完成了系统的硬件设计之后,接下来就是系统软件的设计,它所需要完成的主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。由于C语言通用性强,其程序本身不依赖于机器硬件系统,故本软件采用C语言编写。驱动超声波传感器的40kHz方波信号的产生、时间差的读取、距离速度值的计算以及显示输出的译码和语音播报的实现都由单片机编程完成。其中,对LCD进行编程,必须先了解LCD的接口协议。液晶显示子程序设计的关键之处在于软件中时序的安排要与液晶显示模块内部的时序一致,否则将不会显示成功。语音播报模块是结合液晶显示模块一起使用的,要注意的是该模块中的软件时序的安排要与液晶显示模块内部的时序一致,否则将出现声音提示和液晶显示不一致的现象。

3 误差分析

超声波测距在实际应用也有很多局限性,这都影响了超声波测距的精度。一是超声波在空气中衰减极大,由于测量距离的不同,造成回波信号的起伏,使回波到达时产生较大的误差;二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽,影响了测距的分辨率,尤其是对近距离的测量造成较大的影响。其他还有一些因素,诸如环境温度、风速等也会对测量造成一定的影响,这些因素都限制了超声波测距在一些对测量精度要求较高的场合的应用。

4 结论与展望

本系统有效的测距范围是2cm~3.0m,测距精度±1cm,较好地实现了预定的功能。是微电子产品应用的一例,符合测量工具小型化、集成化、智能化的发展要求,希望本课题的研究能够对传统测量工具的改进和创新有一定的作用。

由于设计经验的不足和所掌握知识的限制,系统的某些功能设计构想还没有完整的表达出来,硬件电路、软件部分都还存在着不足和需要改进的地方。

①需要进一步提高系统硬件电路的整体性能以及抗干扰的能力。②测量范围与发射功率直接相关,由于超声波探头功率有限,本系统只能在小范围内使用;更换成大功率探头,测量范围将扩大。③要满足更高的精度要求,还必须进行适当的改进;在某些特殊场合的应用中,还要考虑超声波的入射角、反射角以及超声波传播介质的密度、表面光滑度等因素。

可以相信,随着超声波传感器机械结构的改进和制作工艺的提高、驱动电源与接收电路设计的完善以及测量方法的更新,超声波测距测速系统的适用范围还会进一步扩大。

参考文献:

[1]张福学.现代实用传感器电路[M].中国计量出版社,1997:37-44.

[2]李丽霞.单片机在超声波测距中的应用[J].电子技术,2002(06):7-9.

[3]王安敏,张凯.基于AT89C52单片机的超声波测距系统[J].仪表技术与传感器,2006(06):44-49.

[4]胡向东,刘京城,余成波,等.传感器与检测技术[M].机械工业出版社,2008:21-29.

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