基于超聲波傳感器的高精度測距系統(tǒng)設計

曲春英

（海南師范大學 物理與電子工程學院，海南 ?？?571158）

測距方法有很多，激光測距受環(huán)境影響大，價格昂貴；紅外測距易受電磁干擾，且紅外傳播速度快，往返時間不易測量，而超聲波測距可彌補以上不足，且結構簡單、體積小，易于小型化、集成化.在國防、汽車工業(yè)、農(nóng)業(yè)及日常生活中廣泛應用.

但是超聲波傳播速度受溫度影響，傳播時間難于精確計量，在高精度要求的場合應用受到限制.本文的設計就是旨在提高超聲波測距精度，以滿足市場日益苛刻的測量要求.實驗結果表明，該系統(tǒng)測試精度高，達到±1 mm，可靠性高.

1 系統(tǒng)結構與工作原理

系統(tǒng)結構見圖1，由主控芯片STC89C52，超聲波發(fā)射接收模塊，測溫模塊，顯示模塊以及聲光報警模塊和鍵盤組成.采用多組超聲波探頭，用以測量不同方位障礙物，每組探頭將進行多次測量，采用取平均值的方法，提高測量精度；測溫模塊將測得的實時溫度反饋給主控芯片，進而修正超聲波的傳播速度；另外考慮到被測物表面粗糙度對測試精度的影響，對不同材料的障礙物進行測距；同時具有聲光提示功能.

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖Fig.1 Schematic diagram of system

2 超聲波測距原理

超聲波測距有時間差法、相位法等，其中時間差法成本低、實現(xiàn)簡單、應用的測距范圍大，因此選用該法.如圖2，將超聲波發(fā)射端和接收端同時裝于同一高度，利用超聲波遇到不同物質(zhì)界面反射的特性，記錄超聲波發(fā)射端發(fā)出信號和接收端收到信號的時間t1、t2，利用公式：L=vt0/2得到被測面到發(fā)射端的距離，其中t0=t2-t1，v表示超聲波在空氣中的傳播速度[1].

圖2 超聲波測距原理示意圖Fig.2 Diagram of ultrasonic measurement principle

在空氣中，超聲波傳播速度主要與溫度有關：v=331.45+0.607T（m/s），式中T為溫度（℃）.

3 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)采用宏晶科技公司推出的STC89C52型號單片機作為控制器；通過T/R40-16型收發(fā)分體式壓電陶瓷超聲波傳感器測量距離；使用Dallas公司的數(shù)字型單總線溫度傳感器DS18B20采集溫度，進行溫度補償；通過比較，采用LCD1602液晶顯示屏.具體設計如下：

3.1 主控芯片

核心控制芯片要具有較快的處理速度，主要任務是能夠精確計時，測量環(huán)境溫度，計算被測面的距離.選用的STC89C52完全勝任，它價格低廉，40個引腳，3個定時/計數(shù)器，8k Flash存儲，32個I/O口，4路外部中斷等.

3.2 超聲波發(fā)射、接收模塊

超聲波換能器種類繁多，有的要求被測物表面光滑、平整，有的盲區(qū)大，精度不高；綜合考慮采用T/R40-16型收發(fā)分體式壓電陶瓷超聲波傳感器，其工作電壓是5 V，正常工作時電流為30 mA，最大電流是50 mA[2].輸入觸發(fā)信號最小為10Ls TTL電平脈沖；回波信號為TTL電平正脈沖，脈寬與距離成比例.它的聲壓能級、靈敏度在40kHz時最大，測量距離2～3m.

STC89C52通過P1.0和P3.2控制T/R40-16.在TRIGGER引腳給T/R40-16一觸發(fā)信號后，它將發(fā)射超聲波.當超聲波投射到物體而反射回來時，ECHO引腳輸出一返回信號，給單片機一個中斷，單片機開始讀取測時時間，之后完成距離的計算.

3.3 測溫模塊

溫度測量使用Dallas公司的數(shù)字型單總線溫度傳感器DS18B20設計，其占用單片機的資源少，讀寫操作方便.DS18B20測量范圍是-55～+125℃，在-10～+85℃間，測量精度達±0.5℃，而在整個溫度測量范圍內(nèi)具有±2℃的測量精度.DS18B20采用+5 V電源供電，其數(shù)據(jù)總線DQ直接與STC89C52的P3.1引腳相連[3].

3.4 報警、顯示以及按鍵

設計中采用的LCD1602液晶,本設計采用P0口輸出；當P0口當I/O口用時需要外接上拉電阻，P0口與LCD1602的數(shù)據(jù)接口相連接，P3口與LCD1602的控制線相連.根據(jù)超聲波發(fā)出到接收所獲得的時間差，經(jīng)過測距子程序的計算得出的距離值，通過P0口輸入到液晶顯示屏上顯示所測的距離值，以便對數(shù)據(jù)的實時檢測.同時也可顯示實時空氣溫度.

本設計中蜂鳴器使用的壓電式蜂鳴器.通過軟件中的測距模塊子程序測出的距離值，當所測得的距離小于設定的最小值時或者設定大于設定的最大值時；通過P1.6口輸出一個脈沖信號經(jīng)過PNP型三極管驅(qū)動蜂鳴器接口，蜂鳴器發(fā)出報警聲音.

4 系統(tǒng)軟件設計

主程序是整個控制系統(tǒng)的核心，通過調(diào)用個模塊子程序來驅(qū)動各個模塊的硬件電路正常工作以此來達到實時測距報警的功能.主程序流程圖見圖3.

5 實驗結果

為了盡可能地減少測量誤差，安裝時傳感器盡可能的與地面平行，且安裝高度不能過低；為減小超聲波旁瓣的影響，超聲波傳感器的兩個探頭之間的距離要大于3 cm，實驗時距離為5 cm.在實驗室進行距離的實地測量，以墻壁為障礙物，在室溫25℃的情況下，單點多次測量值取平均值后測得的數(shù)據(jù)見表1.

通過實驗可得，此系統(tǒng)的測量精度達到±1 mm，且重復性好.20 mm以內(nèi)為測量盲區(qū)，相對來說較小.

引起誤差的主要原因有：材料、零部件及焊接工藝的缺陷，環(huán)境溫度和其他外界干擾因素.

另外，經(jīng)過測量不同粗糙度障礙物的相同距離（實際值400 mm）時，所得數(shù)據(jù)見表2.

從表2對比中可以看出不同反射平面對超聲波測距的準確度是影響的，越是光滑的反射面測量所得到的值越準確；以上的測試都是對垂直平面的測量得出的結果.

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.3 Flow chart of system main program

表1 實驗數(shù)據(jù)及誤差Tab.1 Experimental data and errors of system

表2 不同障礙物時的測量數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data of different barriers

6 結束語

1）本文設計了一基于超聲波傳感器的測距系統(tǒng).經(jīng)過測試，系統(tǒng)精度較高，且測量精度受反射面的粗糙度影響.由于采用收發(fā)分體式超聲波傳感器，測量盲區(qū)較小.

2）此測距系統(tǒng)可滿足任何測距需求，如輔助泊車，盲人導航，機器人避障，蓄水池液位監(jiān)測等場合.

3）為進一步提高精度，應考慮環(huán)境的濕度，因為超聲波在液體及固體中的傳播速度更快；同時還應考慮基準誤差，實際測量距離應當是壓電晶片到障礙物之間的距離，由于壓電晶片在探頭內(nèi)部，導致了基準的誤差[4].

[1]賈伯年,俞樸,宋愛國,等.傳感器技術[M].南京：東南大學出版社,2000.

[2]鄒軼.近距離高精度超聲波測距系統(tǒng)的設計[D].大連：大連理工大學,2009.

[3]朱向慶,陳志雄.帶溫度補償?shù)?60°超聲波測距測速系統(tǒng)設計[J].壓電與聲光,2011,33(2)：315-319.

[4]渠笑納.超聲波測距在泊車輔助系統(tǒng)中的應用[D].大連：大連理工大學,2010.