一種高精度的超聲波智能測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

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?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)這一類的測(cè)距技術(shù)較為完善，但是這類系統(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

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。

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

如下圖3所示為超聲波測(cè)距系統(tǒng)的流程圖。

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)試結(jié)果及誤差分析

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。測(cè)量結(jié)果及誤差分析如表1所示。

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。

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)方案采用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，本設(shè)計(jì)方案優(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。從而證實(shí)了本方案的可行性。