基于超聲波技術(shù)的精確測距系統(tǒng)的研究

朱玉奇

摘 要：論文詳細(xì)設(shè)計了超聲波測距系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為主程序、溫度檢測子程序、超聲波發(fā)射子程序、中斷檢測渡越時間子程序、發(fā)射脈沖寬度調(diào)節(jié)子程序、LED顯示子程序，由主程序?qū)崿F(xiàn)對各功能模塊的調(diào)度管理。論文最后對系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行試驗調(diào)試。試驗表明該系統(tǒng)在100mm～5000mm范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測距，本課題的研究具有一定的理論和實用價值。

關(guān)鍵詞：超聲波測距；單片機；溫度補償

1 引言

世界各國對精確測距技術(shù)的發(fā)展?jié)摿皯?yīng)用前景有著廣泛共識，應(yīng)用于工業(yè)測量、場地監(jiān)視和交通管理等方面，如今在許多民用領(lǐng)域中開始需要近目標(biāo)、無接觸、無損傷的目標(biāo)檢測系統(tǒng)。目前一般測距的技術(shù)有激光測距、紅外測距、微波雷達(dá)測距和超聲波測距等。超聲波測距雖然存在一些缺陷，最大問題就是抗干擾能力較差。但在近距離測距系統(tǒng)中，只要對其溫度和濕度進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a償，其測距精度將高于微波雷達(dá)測距，達(dá)到精確測距的目的。所以，本文所采用的測距方法為超聲波測距。

美國學(xué)者 David L于1998年實驗研究了測量范圍在1.5m以下的測量系統(tǒng)；國內(nèi)學(xué)者對近距目標(biāo)探測技術(shù)的研究主要集中在W波段的系統(tǒng)設(shè)計，測距精度≤ ±4m。隨著超聲波測距技術(shù)在社會生活中的廣泛應(yīng)用，超聲波作為一種新型的工具在各方面都有很大的發(fā)展空間，未來超聲波測距技術(shù)將朝著更高精度，更大應(yīng)用范圍，更穩(wěn)定方向發(fā)展。

本文正是研究應(yīng)用于精確施用機械中的超聲波測距系統(tǒng)，研究設(shè)計實現(xiàn)精確測距系統(tǒng)的硬軟件，并通過實驗分析研究超聲波測距系統(tǒng)的性能和效果，研制自動化傳感裝置。

2 精確測距系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

超聲波測距硬件系統(tǒng)，由系統(tǒng)處理模塊、驅(qū)動模塊、接收模塊、超聲波傳感器四大部分組成。具體包括CPU、電源電路、復(fù)位和晶振電路、溫濕度補償電路、顯示接口等。其中CPU型號為W780E054D——作為整個系統(tǒng)的控制核心，控制超聲波傳感器的收發(fā)，將測得的距離通過LED進(jìn)行顯示。溫度檢測采用DS18B20，濕度檢測采用DHT11。

系統(tǒng)的超聲波發(fā)射電路至關(guān)重要，直接由12V供電，并且提供24Vpp驅(qū)動超聲波發(fā)射器。24Vpp是通過一個二進(jìn)制非門CD4069橋電路實現(xiàn)的，其電路圖如圖2.1所示。CD4069即6反相器電路，其由六個COS/MOS反相器電路組成。CD4069橋電路中有一個非門用來為驅(qū)動器的一側(cè)提供180度的相移信號，另一側(cè)由相內(nèi)信號驅(qū)動。這種推挽結(jié)構(gòu)使輸出端的電壓提高了一倍，為發(fā)射傳感器提供了24Vpp電壓。兩個非門并聯(lián)連接以便每一側(cè)能夠為傳感器提供足夠的驅(qū)動電流。因為CD4069工作于12V，而單片機工作于5V，單片機和輸出驅(qū)動器之間的邏輯電平是不匹配的，雙極性晶體管Q3就作為這兩種邏輯電平之間的轉(zhuǎn)換器。上拉電阻R83和R84一方面可以提高反相器輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加發(fā)射傳感器的阻尼效果，以縮短自由震蕩的時間。

圖2.1 超聲波發(fā)射電路圖

超聲波發(fā)射器發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)，也影響了測距精度，同時還與信號的發(fā)射能量有關(guān)。減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利。本系統(tǒng)根據(jù)實際工作條件調(diào)整發(fā)射脈沖的寬度，針對不同的距離，發(fā)射合適能量的脈沖，并且采用自適應(yīng)算法調(diào)節(jié)超聲波發(fā)射脈沖串長度，根據(jù)目前的測距工況，發(fā)射合適的超聲波脈沖串，使脈沖總能量增大，通過上述做法能夠有效減小測量盲區(qū)，提高測量精度，并隨著迭加效果的體現(xiàn)，更好地檢測到回波信號。

2.2 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)采用模塊化思想，主要由兩部分組成，即主程序部分和中斷服務(wù)子程序。主程序在完成系統(tǒng)初始化后，循環(huán)執(zhí)行溫度檢測、濕度檢測、發(fā)射脈沖寬度調(diào)節(jié)、發(fā)射超聲波、計算距離、顯示等功能。

初始化程序包括：硬件初始化、軟件變量初始化、功能模塊寄存器初始化和中斷初始化。中斷程序包括定時器中斷子程序和外部中斷子程序，其中定時器0中斷主要完成鍵盤掃描和LED顯示等功能，外部中斷子程序完成渡越時間的檢測。

在發(fā)射脈沖寬度調(diào)節(jié)子程序時，通過程序延時，在單片機引腳上輸出40K HZ的方波信號，驅(qū)動系統(tǒng)選擇的超聲波發(fā)射探頭。延時子函數(shù)delaypulse（ ）是用NOP指令編寫的，可以做到精確定時，其延時長短可以通過Keil uVision4的觀察窗口來觀察。

3 系統(tǒng)調(diào)試

為保證測距系統(tǒng)正常工作，不僅需要保證硬件的設(shè)計和焊接沒有問題，還需要對硬件和軟件進(jìn)行調(diào)試。

本系統(tǒng)進(jìn)行測試時，均處于環(huán)境溫度32℃情況下，選擇墻面作為靶標(biāo)，利用鋼制米尺作為距離標(biāo)準(zhǔn)，測量測距儀到目標(biāo)物的實際距離。

超聲波測距儀置于平整的實驗室地面，正對前方墻面，通過有、無溫度濕度補償兩種方式，利用精度為1mm的鋼制米尺測量下表中實際距離，分別在距離靶標(biāo)30mm、50 mm、100 mm、200 mm、500 mm、1000 mm、2000 mm、3000 mm、4000 mm、5000 mm進(jìn)行系統(tǒng)測試。

測試結(jié)果：無補償測量值分別為27mm、47mm、97mm、193mm、486mm、974mm、1941mm、2920mm、3910mm、4894mm。有補償測量值分別為28mm、49mm、101mm、199mm、501mm、1002mm、1999mm、3007mm、4025mm、5038mm。

試驗結(jié)果分析：一是在無溫濕度補償?shù)那闆r下，系統(tǒng)所測距離均低于實際距離；在距離靶標(biāo)500mm以上，測量絕對誤差呈上升趨勢、相對誤差在2.00%～3.00%；在距離500mm以下，測量相對誤差偏大。二是在具備溫濕度補償?shù)那闆r下，系統(tǒng)測距的絕對誤差和相對誤差均比無溫濕度補償情況下的測距誤差明顯減小。三是在具備溫濕度補償?shù)那闆r下，測量距離對測量精度仍有一定影響，距離過近時相對誤差較大，但在距離大于100mm時，相對誤差均小于1.00%。四是當(dāng)測量距離在100mm～5000mm時，測距儀重復(fù)測量結(jié)果相對穩(wěn)定，重復(fù)測量結(jié)果之間差距不大，特別當(dāng)測量距離在500mm～3000mm時，重復(fù)測量結(jié)果更加穩(wěn)定準(zhǔn)確。因此，通過上述測試可知，通過溫濕度補償，能夠有效提高測距系統(tǒng)的測量精度，并且在溫濕度補償情況下，距離在100mm～5000mm范圍內(nèi)，相對誤差均小于1.00%。能夠滿足精確施用機械測距系統(tǒng)的精度要求，特別在500mm～3000mm范圍內(nèi)測量精度更高。