基于標(biāo)桿測量法的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

萬振武，沈宇超，尚闖

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院;2.武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院 信息工程系，湖北 武漢 430000)

0 引言

距離是智能控制中經(jīng)常需要檢測的一個重要參數(shù)，常用測距方式有激光、微波、紅外線以及超聲波測距等。超聲波具有較獨(dú)特的優(yōu)勢，其方向性好、穿透力強(qiáng)、傳播距離較遠(yuǎn)、傳播中會在待檢物不同的分界面上產(chǎn)生反射波，因此其在測量距離、厚度、液位、井深、管道長度，物體識別，倒車防撞雷達(dá)，機(jī)械手控制等領(lǐng)域有著廣泛而深入的應(yīng)用［1－2］。另外，超聲波測距是一種非接觸式的測量方式，使用中對無光、多煙塵、有毒氣、電磁波等測量環(huán)境有著較強(qiáng)的適用性［1－4］?；谶@些特點(diǎn)，超聲波測距有著廣闊的前景，研究如何提高測距的精度和開辟其新的應(yīng)用領(lǐng)域具有較強(qiáng)的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

1 超聲波測距的原理與誤差分析

超聲波是指振動頻率大于20 kHz以上，頻率甚高，超出了人耳聽覺上限(20 kHz)而聽不見的一種聲波［5］。在常見的超聲波測距系統(tǒng)中，用一定頻率的電脈沖激勵超聲探頭上的壓電晶片，由于逆壓電效應(yīng)，晶片會產(chǎn)生對應(yīng)頻率的機(jī)械振動，該振動傳遞到與其接觸的媒介中，形成超聲波。超聲波傳感器發(fā)出超聲波，在空氣中傳播，遇到障礙物后發(fā)生反射，傳回超聲波傳感器，由于壓電效應(yīng)，傳感器晶片把聲波振動轉(zhuǎn)換為電信號，測距系統(tǒng)根據(jù)從發(fā)射到接收到超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間t，以及超聲波在空氣中的傳播速度c計(jì)算出傳感器到被測物的距離D，其計(jì)算公式如下［6］:

由式(1)可知，測距的誤差主要是由超聲波在介質(zhì)中的傳播速度誤差以及測定傳播時(shí)間的誤差引起的。

其中ΔD—測距總誤差;ΔDt—由測距時(shí)間誤差引起的測距誤差;ΔDc—由聲速誤差引起的測距誤差;Δt—測距時(shí)間誤差;Δc—聲速誤差。

1.1 測距時(shí)間誤差分析

設(shè)計(jì)中，采用電子計(jì)數(shù)法測時(shí)間，即在超聲波傳感器的回波閘門時(shí)間內(nèi)，單片機(jī)的定時(shí)器計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)計(jì)數(shù)值結(jié)合單片機(jī)的機(jī)器周期就可以計(jì)算出待檢測的距離。由于回波的閘門開啟時(shí)刻與單片機(jī)計(jì)數(shù)脈沖之間的時(shí)間關(guān)系是不相關(guān)的，這樣，即使在相同的閘門時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)所得到的值卻不一定相同，其最大絕對誤差為:ΔN=±1，即量化誤差［7］。設(shè)計(jì)中單片機(jī)晶振頻率為11.059 2 MHz，即定時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)一次數(shù)時(shí)間為1.085 μs，故由量化誤差引起的測量時(shí)間誤差為:Δt=±1.085 μs，根據(jù)式(2)可得由量化誤差引起的測距誤差為:

假如取聲速為c0=340 m/s則:

設(shè)計(jì)中距離的實(shí)際值測量工具最小分辨力為1 mm，由量化誤差引起的測距誤差要高出其一個數(shù)量級，故可以忽略不計(jì)。

1.2 聲速誤差分析

在空氣中，聲速受溫度的影響為［8］:

根據(jù)式(4)可得空氣中溫度—聲速關(guān)系如表1所示。

表1 空氣中溫度—聲速關(guān)系表

假如測距系統(tǒng)選取聲速c0=340 m/s(即T=14.5℃時(shí)的聲速)作為計(jì)算距離時(shí)的聲速，取待測物離傳感器的距離D=1 m，則根據(jù)表1所示聲速和溫度的關(guān)系，與之對應(yīng)的聲速增量Δc、測距時(shí)間t和聲速誤差引起的測距誤差ΔDc如表2所示。

表2 D=1 m、c0=340 m/s時(shí)，溫度—聲速誤差引起的測距誤差關(guān)系表

同理可以分別得到D=2 m、3 m、4 m時(shí)T和ΔDc之間的關(guān)系，如圖1所示。

從表2和圖1可知，系統(tǒng)測距計(jì)算時(shí)選擇的聲速為c0=340 m/s時(shí)，隨著測量距離D的增加以及不同溫度下c0相對于實(shí)際聲速c的增量Δc的增加，誤差也隨之增加。

設(shè)計(jì)中距離的實(shí)際值測量工具最小分辨力為1 mm，由聲速引起的測距誤差不能忽略，為提高測量準(zhǔn)確度，根據(jù)環(huán)境溫度對超聲波測距進(jìn)行溫度補(bǔ)償很重要。進(jìn)行溫度補(bǔ)償通常有兩種方法，即溫度校正法和標(biāo)桿測量法。溫度校正法就是在測距系統(tǒng)中加入環(huán)境溫度檢測部分對測距環(huán)境的溫度指標(biāo)進(jìn)行測量，經(jīng)過系統(tǒng)校正后達(dá)到提高超聲波測距精度的目的［9］。其不足在于，如果不能準(zhǔn)確測得實(shí)際溫度，那么由溫度測量產(chǎn)生的誤差就會進(jìn)一步影響到測距結(jié)果。標(biāo)桿測量法不直接對溫度進(jìn)行測量，而是采用雙通道的測量方式:其中一個通道對已知距離進(jìn)行測量，得到環(huán)境聲速;另一通道根據(jù)測得的聲速，按常規(guī)方式測距，進(jìn)而達(dá)到提高測距精度的目的，間接做到溫度補(bǔ)償［10］。本系統(tǒng)采用標(biāo)桿測量法測距。

2 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由單片機(jī)控制模塊，標(biāo)桿通道，實(shí)測通道，LCD顯示模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖1 不同距離不同溫度下由于聲速誤差造成的測距誤差圖

圖2 系統(tǒng)框圖

2.1.1 單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)控制模塊如圖3所示，主要由單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、ISP下載口等部分組成。實(shí)現(xiàn)單片機(jī)最小系統(tǒng)功能，能夠ISP在線編程。選用AT89S52單片機(jī)為主控芯片。AT89S52是一種高性能、低功耗的8位單片機(jī)，內(nèi)含8 kB系統(tǒng)可編程Flash存儲器，兼容性好。

圖3 單片機(jī)控制模塊

2.1.2 超聲波測量通道

系統(tǒng)中，超聲波測量通道有兩個，即標(biāo)桿通道和實(shí)測通道，標(biāo)桿通道的作用是對標(biāo)準(zhǔn)距離測量計(jì)時(shí)進(jìn)而計(jì)算當(dāng)前環(huán)境的聲速，實(shí)測通道則根據(jù)標(biāo)桿通道的聲速測量并計(jì)算出待測物體的距離，以消除環(huán)境溫度因素對測量造成的誤差。設(shè)計(jì)中，兩個通道都選用收發(fā)一體的HC－SR04超聲波傳感器作為超聲波信號的收發(fā)裝置，其中標(biāo)桿通道超聲波傳感器的TRIG和EHCO口分別和單片機(jī)的P1.2、P1.3連接，實(shí)測通道則和單片機(jī)P1.4、P1.5連接，它們在軟件控制上稍有不同，詳見2.2.2節(jié)。HC－SR04超聲波傳感器檢測時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 HC－SR04超聲波傳感器檢測時(shí)序圖

以上時(shí)序表明只需提供一個10 μs以上的脈沖觸發(fā)信號，HC－SR04內(nèi)部會發(fā)出8個40 kHz的脈沖，探頭晶片受到激發(fā)，發(fā)出40 kHz的超聲波，與此同時(shí)，模塊內(nèi)部檢測反射波，一旦探頭檢測到反射波則輸出回響信號，回響信號的脈沖寬度與待測的距離成正比關(guān)系。故此可以通過測定從發(fā)出聲波信號到收到回波信號的時(shí)間差計(jì)算出待測距離。本設(shè)計(jì)中，在觸發(fā)脈沖作用下，超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，然后單片機(jī)定時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)數(shù)，超聲波接收器收到反射波后定時(shí)計(jì)時(shí)器立即停止計(jì)數(shù)，從而測出時(shí)間差t，然后結(jié)合聲速c就可以求出待測距離D。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)控制系統(tǒng)晶振頻率為11.059 2 MHz，即定時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)一次數(shù)時(shí)間為1.085 μs。如果一次測量過程定時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為x，則回波電平持續(xù)時(shí)間t為:

根據(jù)式(1)可得距離D為:

2.1.3 LCD顯示模塊

顯示模塊選用LCD1602顯示屏，其功耗省、體積小、輕巧超薄，在各類儀表和低功耗系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。LCD1602可以分為單行16字，2行16字，2行20字等類型，本次設(shè)計(jì)選用的是2行16字的LCD1602。其采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中:第4腳為寄存器選擇，當(dāng)其為低電平時(shí)選擇指令寄存器，而高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器。設(shè)計(jì)中和單片機(jī)P0.0口連接;第6腳為使能端，脈沖下降沿有效;第7～14腳:D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線［11］。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中主要完成標(biāo)桿通道、實(shí)測通道超聲波測距控制以及測量距離的LCD顯示。

2.2.1 主程序流程圖

系統(tǒng)啟動后初始化，單片機(jī)控制標(biāo)桿通道超聲波傳感器發(fā)送超聲波，并檢測回波計(jì)算聲速，之后控制實(shí)測通道超聲波傳感器發(fā)送超聲波，并檢測回波結(jié)合聲速計(jì)算距離，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后送LCD顯示，如此循環(huán)。程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

2.2.2 超聲波子程序流程圖

超聲波子程序程序包括標(biāo)桿通道的超聲波子程序和實(shí)測通道的超聲波子程序，兩者的區(qū)別僅在于前者計(jì)算聲速，后者計(jì)算距離。

按照2.1.2節(jié)中HC－SR04超聲波傳感器的響應(yīng)特點(diǎn)，單片機(jī)給傳感器發(fā)送一個觸發(fā)脈沖，然后根據(jù)傳感器EHCO端口確認(rèn)超聲波是否發(fā)送完畢，如果發(fā)送完畢則開定時(shí)計(jì)數(shù)器，等待回波反饋信號，然后關(guān)閉定時(shí)計(jì)數(shù)器，根據(jù)定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值來分別計(jì)算聲速(標(biāo)桿通道)和待測物距離(實(shí)測通道)，流程圖如圖6、圖7所示。需要說明的是，如果長時(shí)間沒有回波，即超聲波傳感器的測量范圍內(nèi)沒有物體時(shí)，為避免死循環(huán)等待，通過判斷定時(shí)計(jì)數(shù)器是否溢出來跳出循環(huán)。

設(shè)計(jì)中，標(biāo)桿通道參照物離傳感器的距離D=1 m，假設(shè)定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為x，根據(jù)式(6)可以計(jì)算出聲速:

假如實(shí)測通道測量后定時(shí)計(jì)數(shù)器的值為x1，則根據(jù)式(6)、(7)可計(jì)算出待測距離:

在實(shí)際程序編寫中，為避免由1/1.085等無理數(shù)的運(yùn)算造成誤差，標(biāo)桿通道里只是對定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值通過公式TH0*256+TL0將定時(shí)計(jì)數(shù)器高低兩個字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為一個16位的整形數(shù)據(jù)，然后利用式(8)計(jì)算。

2.2.3 LCD顯示子程序

顯示子程序功能是將有關(guān)測試數(shù)據(jù)顯示出來。首先，LCD初始化，如果檢測到物體，顯示“Distance:”字樣，然后將超聲波測距程序里計(jì)算所得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符型，送LCD顯示出來，延時(shí)后返回主程序。如果沒有檢測到物體，即定時(shí)計(jì)數(shù)器溢出(通過溢出標(biāo)志確定)，則顯示“Nothing”字樣。流程如圖8所示。

圖6 標(biāo)桿通道超聲波子程序流程圖

圖7 實(shí)測通道超聲波子程序流程圖

圖8 LCD顯示子程序流程圖

3 數(shù)據(jù)測量與分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，針對使用標(biāo)桿通道和不使用標(biāo)桿通道兩種情況進(jìn)行了對比測量，截取其中1.1 m～2 m區(qū)間的測量數(shù)據(jù)分別如表3、表4所示。

實(shí)測環(huán)境的溫度是25℃，根據(jù)式(4)，可得此時(shí)聲速c=346.2 m/s，則此時(shí)的聲速增量Δc=c0－c=(340－346.2)m/s=－6.2 m/s，另據(jù)式(1)可得t=2D/c，結(jié)合選擇的不同測量距離D可以算出對應(yīng)的時(shí)間t，再通過式(3)可得由環(huán)境溫度引起誤差的理論值，如表5所示。

表3 無標(biāo)桿通道校正時(shí)的測量數(shù)據(jù)(環(huán)境溫度:25℃ 實(shí)際值測距工具:卷尺)

表4 有標(biāo)桿通道時(shí)的測量數(shù)據(jù)(環(huán)境溫度:25℃ 實(shí)際值測距工具:卷尺)

表5 無標(biāo)桿通道校正時(shí)由環(huán)境溫度引起誤差的理論值

從相關(guān)數(shù)據(jù)來看，有標(biāo)桿通道校正后，測量的準(zhǔn)確度有明顯的提高，相對誤差整體上提高了一到兩個百分點(diǎn)。對比三組數(shù)據(jù)，相對誤差γ2≈γ1－γ3，這說明標(biāo)桿通道很好地起到了校正作用。另外數(shù)據(jù)整體上測量值比實(shí)際值偏小，說明還存在系統(tǒng)誤差。這些是由于測環(huán)境溫度時(shí)的測溫誤差、式(4)中的無理數(shù)運(yùn)算造成的理論誤差、傳感器固有誤差等因素造成的。

4 結(jié)語

針對超聲波測距可能出現(xiàn)的最主要誤差因素，基于標(biāo)桿測量法的超聲波測距系統(tǒng)，采用雙通道超聲波測量，其中標(biāo)桿通道測速、實(shí)測通道測距，很好地校正了由于溫度因素造成的測量誤差，實(shí)現(xiàn)了較精確的距離測量，并通過LCD屏顯示，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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