超聲波測距系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*

崔 靚， 王冠龍， 朱學軍

(寧夏大學 機械工程學院，寧夏 銀川 750021)

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，經(jīng)常會碰到一些需要非接觸測距的場合，超聲波測距作為一種便捷的無線測距手段，有效避免了測距人員與危險環(huán)境的接觸，較好地滿足了無線測距的要求，且超聲波在傳播時指向性強，能量易于集中且消耗較緩慢，也不受光線、電磁等其他因素的影響，因此廣泛應用于距離的測量。

1 超聲波測距原理分析

超聲波是指振動頻率高于20 kHz的在彈性介質中傳播的機械波。超聲波測距原理為發(fā)射換能器向外發(fā)射超聲波同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物后反射，接收換能器收到超聲波馬上停止計時。假設s為發(fā)射源與目標障礙物之間的距離(m)，t為發(fā)射與接收超聲波之間的時間差(s)，v為超聲波在空氣中的傳播速度(m/s)，則被測物體的距離〖2～4〗為

s=vt/2

(1)

2 超聲波測距系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射電路和接收電路、溫度補償電路、數(shù)碼管顯示電路和通信電路等組成〖5,6〗。采用STC12C5A60S2單片機作為核心處理元件，利用其P3.3引腳產(chǎn)生超聲波集成模塊工作所需的信號，外部中斷口接收返回信號以及內部定時器T0來計算超聲波發(fā)射與接收所用時間間隔，結合溫度補償后的超聲波速度，根據(jù)式(1)得到傳感器與障礙物之間的距離，最后通過4位共陽極數(shù)碼管顯示電路實時顯示，并通過串口通信傳送到上位機界面。該系統(tǒng)可提供 2～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到毫米(mm)級。系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構

2.1 超聲波發(fā)射電路和接收電路

超聲波發(fā)射電路通過發(fā)射探頭向目標障礙物發(fā)射40 kHz的脈沖信號，由單片機P3.3口通過定時器定時輸出，但功率不夠大，將其送入由74LS04組成的功率放大器以便使發(fā)射距離足夠遠。超聲波發(fā)射電路如圖2。

圖2 超聲波發(fā)射電路

超聲波接收電路是將探頭接收到的微弱信號放大、濾波和整形后輸出，最后計算超聲波在空氣中的傳播時間t。超聲波接收電路如圖3。

圖3 超聲波接收電路

2.2 溫度補償電路

為了得到更加精確的測量結果，系統(tǒng)采用了溫度補償?shù)姆椒?。文中采用高精度的DS18B20數(shù)字溫度傳感器模塊，該模塊自帶模/數(shù)轉換且電路簡單，可直接使用。通過 DS18B20 溫度傳感器測量環(huán)境溫度，再由單片機進行聲速修正和計算得出精確的距離。

2.3 數(shù)碼管顯示電路

本文采用4位共陽極數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管具有功耗低、顯示操作簡單、體積小、性能可靠等優(yōu)點。

2.4 通信電路

包括有線測距設備和無線測距設備。在有線通信中，應用的是以PL2303芯片為主的串口通信模塊；在無線系統(tǒng)中，采用數(shù)據(jù)傳送裝置(data transfer unit,DTU)無線通信模塊，實現(xiàn)下位機與上位機的通信。

1)PL2303通信模塊該模塊內含PL2303芯片，工作頻率為12 MHz，28腳貼片SOIC封裝，符合USB2.0通信協(xié)議，可以直接將USB信號轉換成串口信號，使用方便快捷。

2)DTU無線通信模塊

DTU將超聲波傳感器采集的數(shù)據(jù)通過通用分組無線業(yè)務(general packet radio service,GPRS)通信網(wǎng)絡發(fā)送到上位機進行顯示、保存、分析等操作。上位機一端安裝一個引入DTU的軟件，在軟件內部將 DTU用虛擬串口的方法，通過晶體管—晶體管邏輯(transisitor-transistor logic,TTL)電路轉RS—232的串口將單片機的數(shù)據(jù)發(fā)送給DTU，從而實現(xiàn)下位機與上位機之間的無線數(shù)據(jù)交換。

3 超聲波測距系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

3.1 單片機C語言編程

本文設計的單片機C語言開發(fā)采用模塊化形式，主要由系統(tǒng)主程序，超聲波測距子程序，溫度補償子程序，外部中斷子程序和數(shù)碼管顯示子程序構成。系統(tǒng)程序流程如圖4。

圖4 系統(tǒng)程序流程

1)超聲波測距子程序

單片機驅動P3.3引腳先發(fā)出驅動信號，檢測是否有回波信號產(chǎn)生，若檢測到有回波信號則驅動成功，單片機可處理其他的程序，若沒有檢測到回波信號，則程序停在此處等待回波信號，直至檢測到回波信號。

2)溫度補償子程序

如圖5所示,溫度補償子程序主要對溫度傳感器DS18B20進行初始化，進而采集溫度值并將數(shù)據(jù)送入單片機，對超聲波傳播速度進行修正，以得到更準確的距離值。

圖5 溫度補償子程序流程

3)外部中斷子程序

本文超聲波測距系統(tǒng)使用了定時器0中斷和定時器1中斷。檢測到有回波信號產(chǎn)生時，開定時器T0計數(shù)，同時打開外部中斷0，當產(chǎn)生外部中斷0時，即單片機P3.2引腳變?yōu)榈碗娖?，停止計?shù)，此時計數(shù)器的時間就是Echo引腳為低電平的時間，即實現(xiàn)了對時間的精確測量。

4)數(shù)碼管顯示子程序

本系統(tǒng)中的數(shù)碼管采用動態(tài)掃描的方式顯示，在顯示子程序之前，根據(jù)所用共陽極數(shù)碼管編寫好數(shù)字0～9的段碼以及數(shù)碼管的位選碼。

3.2 上位機程序設計

3.2.1 VISA配置

為了使單片機發(fā)出的數(shù)據(jù)能在LabVIEW中顯示，需要采用LabVIEW中VISA庫。采用了VISA標準，就可以不考慮時間及I/O選擇項，驅動軟件可以相互兼容使用，使用 LabVIEW中的 VISA 庫可以實現(xiàn)計算機的串口通信。

3.2.2 LabVIEW程序設計

本文系統(tǒng)利用LabVIEW軟件開發(fā)上位機的顯示監(jiān)測界面，在程序使用的過程中，首先進行串口配置，通過VISA函數(shù)讀取下位機向LabVIEW顯示監(jiān)測界面發(fā)送的數(shù)據(jù)。程序外部框架采用循環(huán)結構和事件結構，事件結構的引用是為了增加按鈕功能；最后優(yōu)化程序的前面板，使人機交互界面效果友好。同時在程序框圖中編寫數(shù)據(jù)記錄程序，能夠將下位機采集的數(shù)據(jù)寫入Excel表格，實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的功能，方便以后對數(shù)據(jù)進行分析。另外系統(tǒng)設置了上極限距離和下極限距離，可以實現(xiàn)距離警告功能，若距離警告綠色燈亮，提醒注意；相反,則為距離安全，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 數(shù)據(jù)測試

在實驗中選擇墻壁為障礙物進行測試，為了驗證測距系統(tǒng)的精度，在實驗中，采用米尺對測量距離實際測量，以檢驗系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)包括溫度值和測量距離值，并且在Excel中記錄數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)測試距離值，根據(jù)有溫度補償和無溫度補償兩種方式進行計算，其中溫度補償計算公式有三種，分別為式(2)、式(3)，其中式(3)為式(2)速度的平均值，無溫度補償?shù)乃俣戎禐镃=340 m/s

(2)

(3)

式中C為空氣中聲波的傳播速度；t為空氣介質的溫度，℃；T0=273.16 ℃。

分別用這4種速度計算方式計算距離，共產(chǎn)生4組數(shù)據(jù)，分別用Y1～Y4表示用各公式和無溫度補償速度計算出的距離，Y5為距離真實值，保證這4組數(shù)據(jù)是在基本相同的環(huán)境下測量所得，采集數(shù)據(jù)表如表1所示。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)可知，該超聲波測距系統(tǒng)的盲區(qū)為到墻壁的最近距離為2 cm，最遠測量距離為400 cm。本超聲波測距系統(tǒng)在100 cm以內有較精確的測量結果，因此，選取2～100 cm 進行詳細分析，選取該范圍內的35組數(shù)據(jù)，運用MATLAB軟件進行曲線擬合，曲線擬合結果如圖6所示。

表1 系統(tǒng)測距數(shù)據(jù)表

圖6 超聲波4種測距計算方式擬合曲線

可知，使用式(3)測量的數(shù)據(jù)曲線Y3與真實值曲線Y5最接近，則選取使用該溫度補償方式測得的2～40 cm共39組數(shù)據(jù)進行具體分析，擬合曲線如圖7所示。

圖7 平均值法距離值與真實距離值擬合曲線

可以看出，本文超聲波測距系統(tǒng)的測量距離值與真實距離值基本一致，尤其是在20 cm范圍內測量，測量準確性高，其數(shù)據(jù)誤差最小可達毫米(mm)級，最大為1 cm。本文系統(tǒng)實現(xiàn)了無接觸、快速、精準測量，具有控制簡單、實用性強等優(yōu)點。

4.3 誤差分析

綜合單片機整體系統(tǒng)，誤差來源為：

1)從收到實際回波到電路確認并得出相應信號存在滯后，這是超聲波測距的核心問題。若靈敏度過高，一些干擾信號會被誤認為回波，導致測量出錯；如果過低，由于回波衰減是距離的平方，則會大大限制檢測距離。這部分誤差是導致數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的主要來源〖10〗。

2)由于溫度會發(fā)生變化，則聲速會變化，計時的頻率和檢測電路的靈敏度也會變化，比較復雜，通常借助測溫來修正聲速變化，其中后兩項的影響因素可忽略〖11〗。

3)目前使用的計時器本身多數(shù)為晶體振蕩器，對于聲速而言，其帶來的誤差在毫米(mm)級。應該提高計時器的最小單位來減小此項誤差，從而降低量化誤差。

4)單片機一次只能處理一件事，因此啟動發(fā)射和啟動計時實際上是先后完成的，存在時差，但只要指令速度足夠快，其偏差可以忽略。

5 結 論

設計的超聲波測距系統(tǒng)體積小、成本低、易操作，具有精度高、抗干擾性強等優(yōu)點，可滿足自動控制系統(tǒng)中距離、物位和液位等大多數(shù)要求較高的測量環(huán)境中的測距要求。