基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：基于超聲波實(shí)現(xiàn)無接觸式測(cè)距原理，介紹了一種基于單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。由單片機(jī)軟件產(chǎn)生40kHz超聲波，并測(cè)量回波時(shí)間，可精確到us級(jí)。為提高測(cè)距精度，采取了溫度補(bǔ)償、角度補(bǔ)償措施。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度和實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：起聲波；測(cè)距；單片機(jī)

O 引言
    超聲波是指頻率大于20 kHz的在彈性介質(zhì)中產(chǎn)生的機(jī)械震蕩波。由于超聲波頻率較高，穿透力強(qiáng)，指向性強(qiáng)，傳輸過程中衰減少，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，遇到雜質(zhì)或分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波，因此常被用于非接觸式測(cè)距。并且超聲波對(duì)光線、色彩和電磁場(chǎng)不敏感，因此超聲波測(cè)距對(duì)環(huán)境有較好的適應(yīng)能力。廣泛應(yīng)用于汽車倒車、機(jī)器人避障、工業(yè)測(cè)井、水庫液位測(cè)量、管道長度測(cè)量等需要自動(dòng)進(jìn)行非接觸測(cè)距的場(chǎng)合。

1 超聲波測(cè)距原理
    Pellarn和Galt于1946年提出了脈沖回波法，其工作原理是：用超聲脈沖激勵(lì)超聲探頭向外輻射超聲波，同時(shí)接收從被測(cè)物體反射回來的超聲波(簡稱回波)，通過檢測(cè)或估計(jì)從發(fā)射超聲波至接收回波所經(jīng)歷的射程時(shí)間ToF(Time of Flight)，按下式計(jì)算超聲波探頭與被測(cè)物體之間的距離d，即
    
    其中。c為聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度。

2 系統(tǒng)構(gòu)成
    本系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、測(cè)溫電路、顯示電路、報(bào)警電路等構(gòu)成，如圖1所示。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
3．1 主程序
    主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器TO工作模式為16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器模式，總中斷允許位置1并給顯示端口清0；然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出若干個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起直射渡觸發(fā)，從發(fā)射開始一直到“虛假反射波”結(jié)束這段時(shí)間內(nèi)，不開放外部中斷(INTO)申請(qǐng)，便可有效躲避干擾，但同時(shí)也會(huì)造成測(cè)試“盲區(qū)”。假設(shè)延時(shí)約0．1 ms后，才打開外部中斷接收返回的超聲波信號(hào)，當(dāng)溫度為20℃，測(cè)量盲區(qū)為d=1×10-2×344=1．72 cm。
3．2 超聲波發(fā)生子程序和接收子程序
    超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1．0端口發(fā)送超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)(脈沖寬度為12μs左右)，同時(shí)把計(jì)數(shù)器TO打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。
    超聲波接收子程序利用外部中斷O檢測(cè)返回超聲波，一旦接收到返回超聲波信號(hào)(即INT0引腳出現(xiàn)低電平)，立即進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，關(guān)閉定時(shí)器TO停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志位賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則說明障礙物過遠(yuǎn)，超出量程，將關(guān)閉外部中斷，并標(biāo)志此次測(cè)距不成功。
    最大測(cè)試距離將取決于：兩次脈沖群發(fā)送之間的最小時(shí)間間隔和脈沖的能量。一般來說，發(fā)射端脈沖個(gè)數(shù)越多，能量越大，所能測(cè)量的距離也越遠(yuǎn)。但也不是無限制的，本方案是讀取定時(shí)器TO的計(jì)數(shù)值，最大能測(cè)試的距離是TO尚未溢出時(shí)檢測(cè)到超聲波回波信號(hào)，故在溫度20℃下，最大測(cè)試距離為。在一些周期性發(fā)射超聲波設(shè)備中，如果要測(cè)試的最大距離是10 m，則兩次脈沖群之間的最小時(shí)間為。
    由于采用12 MHz的晶振，機(jī)器周期為1μs，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器TO中的數(shù)值按式(1)計(jì)算，即可測(cè)得被測(cè)物與測(cè)距儀之間的距離，取20℃時(shí)的聲速為344 m／s。則有：
    
    其中，TO為計(jì)數(shù)器TO的計(jì)數(shù)值。

4 提高測(cè)量精度
4．1 溫度補(bǔ)償
    由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，可認(rèn)為聲速基本不變。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>

    可知，超聲波在空氣中的傳播速度與溫度T(單位：攝氏度)有如下近似關(guān)系：
    
    其中，C0為0℃時(shí)的聲波速度為331．45 m／s，T為實(shí)際溫度(℃)。在常溫下，溫度每變化1攝氏度，超聲波速度變化約為O．6 m／s，所以通過測(cè)溫電路測(cè)量出當(dāng)前溫度，就可以計(jì)算出超聲波在當(dāng)前溫度下的傳輸速度。
    測(cè)溫電路采用的主要元器件是美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DSl8B20，其具有精度高、智能化、體積小、線路簡單等特點(diǎn)。
4．2 角度補(bǔ)償
    由于發(fā)射與反射之間存在一定的夾角2α，當(dāng)α很小時(shí)，可直接按式(1)計(jì)算距離；當(dāng)α較大時(shí)，則必須進(jìn)行距離修正，其修正公式為：
    
    在式(4)中，夾角α與超聲波發(fā)射裝置和接收裝置的安裝位置有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)保持兩換能器中心軸線盡量平行并相距2 cm～4 cm，在近距離測(cè)量時(shí)更要考慮角度補(bǔ)償。若能夠?qū)⒊暯邮针娐菲帘纹饋?，則可提高抗干擾性能。根據(jù)測(cè)量范圍可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。

5 結(jié)論
    為防止在測(cè)量過程中測(cè)距儀的抖動(dòng)而引起的測(cè)量誤差，一般情況下應(yīng)測(cè)量幾次取其平均值。由于系統(tǒng)的分辨率為1μs，系統(tǒng)引起的固定誤差約為0．3mm，再加上本設(shè)計(jì)只考慮了溫度補(bǔ)償和角度補(bǔ)償?shù)挠绊懀鴽]有考慮其他環(huán)境因素(如：氣壓、濕度……)的影響，所以在測(cè)量的時(shí)侯給測(cè)量結(jié)果帶來了一定的誤差。