超聲波智能測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【摘要】基于傳統(tǒng)的方式在測(cè)距方面的缺陷以及不完善，本論文主要對(duì)高精度超聲波測(cè)距儀的原理，單片機(jī)的應(yīng)用等進(jìn)行了分析；在原來(lái)的基礎(chǔ)上對(duì)其測(cè)量精度做了大幅改進(jìn)；并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析。

【關(guān)鍵詞】超聲波測(cè)距；高精度；誤差分析

Abstract：The traditional way based on the defects in the range aspect and not perfect，the main principle of high precision ultrasonic range finder，the application of SCM are analyzed；on the basis of the original on the measurement precisiongreatly improved；and the system error analysis.

Keywords：High precision；ultrasonic distance measurement；error analysis

1.引言

1.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展的概況

智能測(cè)距系統(tǒng)目前在國(guó)內(nèi)有一定的研究水平，多用于汽車(chē)工業(yè)以及智能機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)和相關(guān)領(lǐng)域。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。

超聲波由于指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而經(jīng)常用于距離的測(cè)量。它主要應(yīng)用于倒車(chē)?yán)走_(dá)、測(cè)距儀、物位測(cè)量?jī)x、移動(dòng)機(jī)器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等，例如：距離、液位、井深、管道長(zhǎng)度、流速等場(chǎng)合。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便，且計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，在測(cè)量精度方面也能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用國(guó)內(nèi)這一類(lèi)的測(cè)距技術(shù)較為完善，但是這類(lèi)系統(tǒng)外圍電路相對(duì)復(fù)雜，顯示部分不夠形象，而且精度不高，大部分停留在厘米級(jí)別。

1.2 系統(tǒng)的功能、性能要求

本設(shè)計(jì)“高精度超聲波智能測(cè)距系統(tǒng)”能夠?qū)崿F(xiàn)2cm-4m范圍內(nèi)的精確測(cè)量功能，精度可達(dá)0.1mm，LCD液晶屏漢字顯示功能，以及距離分段報(bào)警功能。實(shí)物體積小、功耗低、便于嵌入到其他系統(tǒng)，具有一定的使用價(jià)值。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 基本工作原理

通過(guò)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)程序在P1.2口產(chǎn)生40KHZ的方波經(jīng)調(diào)解電路驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)生，遇到障礙物經(jīng)反射由P1.1口超聲波接收探頭接收；經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)電路計(jì)算時(shí)間，從而導(dǎo)出障礙物距離探頭的距離由接在P0端口的LCD12864顯示；距離閾值分為0-1m；1m-1.5m；1.5m以上三段不同頻率報(bào)警。

圖2 傳感器電路

3.硬件設(shè)計(jì)

超聲波傳感電路：

（1）采用IO觸發(fā)測(cè)距，提供至少10us的高電平信號(hào)；

（2）模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；

（3）有信號(hào)返回，通過(guò)IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=（高電平時(shí)間（340m/S））/2；如圖2所示。

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1 流程圖

圖3 程序流程圖

4.2 程序執(zhí)行過(guò)程

（1）單片機(jī)初始化；

（2）檢測(cè)有無(wú)回波；

（3）定時(shí)初始化；

（4）發(fā)送超聲波；

（5）關(guān)閉外部中斷，讀取時(shí)間，計(jì)算距離；

（6）判斷是否超過(guò)閾值，是否報(bào)警。

循環(huán)執(zhí)行程序。

5.調(diào)試

實(shí)驗(yàn)的主要誤差來(lái)源于系統(tǒng)誤差，包括對(duì)真值確定時(shí)的系統(tǒng)誤差、人為操作不規(guī)范而引起的誤差以及環(huán)境干擾而引起的不可避免的誤差等。

本次設(shè)計(jì)采用的是HC-SR04超聲波傳感探頭，對(duì)其測(cè)距性能的范圍要求為4cm-4m，故實(shí)驗(yàn)是選取的測(cè)量距離是在其有效地測(cè)量范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)測(cè)量。

就超聲波探頭的有限范圍內(nèi)的相對(duì)誤差分析在0-2.667%的范圍內(nèi)，測(cè)量精度高，實(shí)現(xiàn)了0.1mm的小距離測(cè)量。

6.結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用LCD12864能夠做到實(shí)時(shí)顯示；與傳統(tǒng)的測(cè)距電路設(shè)計(jì)比較，本次設(shè)計(jì)優(yōu)化了電路結(jié)構(gòu)，使電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，并且采用的元器件價(jià)格便宜，所有功能均能實(shí)現(xiàn)，其在原有測(cè)距范圍4cm-4m的基礎(chǔ)上，提高了測(cè)量的精度，可達(dá)到0.1mm的小距離測(cè)量，而且效果得到明顯的改善。系統(tǒng)功耗明顯降低，因此性價(jià)比相對(duì)較高。測(cè)量結(jié)果及誤差分析如表1所示。

參考文獻(xiàn)

[1]袁東.51單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)手冊(cè)[M].電子工業(yè)出版社.

[2]沙河.電子線路CAD實(shí)用教程[M].

作者簡(jiǎn)介：

黃坤（1992—），男，碩士研究生，現(xiàn)就讀于青海民族大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，研究方向：通信工程。

張凌飛，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，青海民族大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院講師。