數(shù)字式超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)

北京信息科技大學(xué)控制工程系，北京 100192

一、引言

目前，常用的便攜式手持測(cè)距方法主要有毫米波測(cè)距、激光測(cè)距和超聲波測(cè)距三種。超聲波測(cè)距較前兩種測(cè)距方法而言，具有指向性強(qiáng)、能耗緩慢、受環(huán)境因素影響較小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于如井深、液位、管道長度、倒車等短距離測(cè)量。

本文設(shè)計(jì)一種家居裝修時(shí)測(cè)量房間的測(cè)距儀，主要要求測(cè)距儀響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高和體積小攜帶方便，最終達(dá)到測(cè)量誤差小于5%，最大測(cè)距范圍12m。在超聲波測(cè)距方法上，本設(shè)計(jì)選用頻率為40kHz左右的超聲波，它在空氣中的傳播效果最佳[1]。由于考慮了環(huán)境溫度對(duì)聲速的影響，在算法上通過環(huán)境的溫度對(duì)聲速做補(bǔ)償，達(dá)到提高測(cè)量精度的目的。本設(shè)計(jì)具有電路簡單、操作簡便、工作穩(wěn)定可靠、測(cè)距精確和能耗小、成本低等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)無接觸式測(cè)量，應(yīng)用廣泛。

二、超聲波測(cè)距儀工作原理

超聲波測(cè)距有多種方法，根據(jù)超聲波發(fā)射后返回的回波幅值、相位和超聲波發(fā)出到返回的時(shí)間差不同，有聲波幅值檢測(cè)法、相位檢測(cè)法和渡越時(shí)間法。本文超聲波測(cè)距儀采用的是渡越時(shí)間法。因渡越時(shí)間法簡單，成本低，可應(yīng)用的距離范圍大，可測(cè)量的范圍為0.39 ～ 10.3m[2]。

渡越時(shí)間檢測(cè)法的基本思想是，發(fā)射器發(fā)射超聲波，經(jīng)過障礙物反射后被接收器接收，測(cè)量發(fā)射器和接收器接收超聲波的時(shí)間差，利用式（1）即可測(cè)得障礙物與測(cè)試點(diǎn)之間的距離L：

式中：c—超聲波在空氣中的傳播速度；

t—超聲波在空氣中的傳播時(shí)間。

同時(shí)，超聲波在空氣中的傳播速度受環(huán)境溫度的影響較大，考慮了環(huán)境溫度對(duì)傳播速度的影響周后，障礙物與測(cè)試點(diǎn)之間的距離修正為：

式中：T—環(huán)境溫度。

焊接檢驗(yàn)?zāi)康脑谟诜乐古c發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，以確保結(jié)構(gòu)（件）的安全使用。各類產(chǎn)品都規(guī)定了對(duì)焊接接頭質(zhì)量等級(jí)的技術(shù)要求。試制新產(chǎn)品或制訂焊接新工藝時(shí)，通過焊接檢驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)并解決其質(zhì)量問題，使新產(chǎn)品與新工藝獲得發(fā)展和應(yīng)用。有的產(chǎn)品在使用中還需定期檢驗(yàn)，以發(fā)現(xiàn)和及時(shí)消除在使用中產(chǎn)生而尚未導(dǎo)致破壞的缺陷，從而防止事故的發(fā)生，延長產(chǎn)品的使用壽命。

超聲波測(cè)距儀的工作原理為：在單片機(jī)的控制下，單片機(jī)給超聲波模塊一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，然后超聲波發(fā)射電路產(chǎn)生40kHz脈沖，經(jīng)過放大后驅(qū)動(dòng)發(fā)射端發(fā)射。同時(shí)單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器開始記數(shù)，超聲波被反射后在接收端轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過濾波放大后送給檢波器，一旦檢波器收到了回波，計(jì)數(shù)器就停止工作，得到計(jì)數(shù)值。然后單片機(jī)根據(jù)記數(shù)頻率和溫度檢測(cè)電路測(cè)得聲速，計(jì)算并得到待測(cè)距離[5]。

三、超聲波測(cè)距儀的硬件設(shè)計(jì)方案

超聲波測(cè)距一個(gè)重要的參數(shù)就是對(duì)超聲波回波時(shí)間t的檢測(cè)，時(shí)間t測(cè)量的準(zhǔn)確性影響著超聲波測(cè)距儀測(cè)量距離的準(zhǔn)確度[3]。另一個(gè)比較重要的參數(shù)就是溫度，因?yàn)槌暡ǖ乃俣仁墉h(huán)境溫度的影響。本設(shè)計(jì)硬件方案就包括單片機(jī)電路、顯示電路、超聲波傳感器、溫度檢測(cè)電路和電源模塊。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1、單片機(jī)及其外圍電路

單片機(jī)選用瑞薩公司R8C/2L。R8C/2L采用R8C CPU內(nèi)核，最高工作頻率為20MHz。主要使用單片機(jī)的定時(shí)器功能、輸入捕捉功能。此款單片機(jī)采用8位預(yù)定標(biāo)器（定時(shí)器RA和RB）的8位多功能定時(shí)器，輸入捕捉/輸出比較定時(shí)器（定時(shí)器RC、RD）。單片機(jī)及其外圍電路如圖2所示。

2、超聲波傳感器

本設(shè)計(jì)直接購買超聲波模塊US-100。US-100超聲波測(cè)距模塊可實(shí)現(xiàn)2cm～12m的非接觸測(cè)距功能，擁有2.4～5.5V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2mA，同時(shí)具有GPIO、串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠。此模塊的感應(yīng)角度小于15°，最大探測(cè)距離為450cm，盲區(qū)是2cm，探測(cè)精度0.3±1%。此模塊共有兩個(gè)接口，即模式選擇跳線和5 Pin接口。模式選擇跳線的間距為2.54mm，當(dāng)插上跳線帽時(shí)為UART（串口）模式，拔掉時(shí)為電平觸發(fā)模式。在模塊上電前，首先去掉模式選擇跳線上的跳線帽，使模塊處于電平觸發(fā)模式。此模塊的性能完全能滿足本次設(shè)計(jì)的要求。

3、溫度檢測(cè)電路

溫度檢測(cè)使用的是溫度傳感器DS18B20。DS18B20的核心功能是它的直接讀數(shù)字的溫度傳感器。溫度傳感器的精度為用戶可編程的9，10，11或12位，分別以0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃增量遞增。在上電狀態(tài)下默認(rèn)的精度為12位。DS18B20啟動(dòng)后保持低功耗等待狀態(tài)；當(dāng)需要執(zhí)行溫度測(cè)量和A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，總線控制器必須發(fā)出[44h]命令。在那之后，產(chǎn)生的溫度數(shù)據(jù)以兩個(gè)字節(jié)的形式被存儲(chǔ)到高速暫存器的溫度寄存器中，DS18B20繼續(xù)保持等待狀態(tài)。當(dāng)DS18B20由外部電源供電時(shí)，總線控制器在溫度轉(zhuǎn)換指令之后發(fā)起“讀時(shí)序”，單片機(jī)發(fā)出[EHh]命令。如DS18B20正在溫度轉(zhuǎn)換中返回0，否則轉(zhuǎn)換結(jié)束返回1。DS18B20測(cè)溫電路如圖3所示。

4、顯示電路

采用八段共陰極數(shù)碼管，只需通過單片機(jī)輸出高電平就能點(diǎn)亮數(shù)碼管的一段，通過輸出不同的高低電平就可以顯示數(shù)字0-9。選用4位數(shù)碼管可以將超聲波測(cè)距顯示到毫米級(jí)。單片機(jī)輸出電壓為5V而點(diǎn)亮數(shù)碼管工作電流只需要5～10mA,這就需要一個(gè)限流電阻，本次設(shè)計(jì)選用限流電阻為1k的，為防止數(shù)碼管閃爍，在數(shù)碼管之前加一個(gè)鎖存器能夠很好的解決數(shù)碼管閃爍的問題。4位數(shù)碼管顯示電路完全一樣，其中一位數(shù)碼管顯示電路如圖4所示。

四、超聲波測(cè)距儀軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、主程序

主程序一開始對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，具體是對(duì)時(shí)鐘、I/O口、定時(shí)器RB初始化。再對(duì)開始按鍵進(jìn)行判斷若按鍵按下則繼續(xù)往下執(zhí)行，否則等待按鍵按下。接著打開定時(shí)器給超聲波模塊一個(gè)觸發(fā)信號(hào)大約20μs，關(guān)閉定時(shí)器計(jì)數(shù)清零。再打開定時(shí)器等待超聲波模塊的回波信號(hào)，一旦等待到就關(guān)閉定時(shí)器讀取定時(shí)器的計(jì)數(shù)，再對(duì)定時(shí)器計(jì)數(shù)清零[4]。接著執(zhí)行測(cè)溫子程序測(cè)得當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度，再執(zhí)行距離計(jì)算公式算出超聲波測(cè)距儀測(cè)出的距離，最后將測(cè)得的距離數(shù)據(jù)通過單片機(jī)送給數(shù)碼管顯示。程序框圖如圖5所示。

2、測(cè)溫子程序

測(cè)溫時(shí)，單片機(jī)與DS18B20進(jìn)行通信需經(jīng)過三個(gè)步驟：對(duì)18B20復(fù)位、復(fù)位之后發(fā)送ROM指令、發(fā)送RAM指令。本設(shè)計(jì)就只使用了一只溫度傳感器所以可以直接跳過ROM指令（0CCH）[6]。測(cè)溫子程序框圖如圖6所示。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)現(xiàn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)室房頂?shù)母叨龋褂肔DM--40激光測(cè)距儀來進(jìn)行距離的校準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)采用多次測(cè)量對(duì)比并且測(cè)量不同距離來驗(yàn)證超聲波測(cè)距儀的性能。實(shí)驗(yàn)測(cè)量圖如圖7所示。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)表明，本次超聲波測(cè)距在其有效測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)量精度基本<5%，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

表1 超聲波測(cè)距儀實(shí)驗(yàn)結(jié)果

六、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)R8C/2L的數(shù)字式超聲波測(cè)距儀。設(shè)計(jì)中采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20為溫度補(bǔ)償電路，提高了測(cè)量精度和智能化程度，并在一定程度上降低了系統(tǒng)成本。本超聲波測(cè)距儀經(jīng)試驗(yàn)運(yùn)行良好，性能優(yōu)良、成本低、能有效改善測(cè)量技術(shù)，適合于機(jī)器人檢測(cè)、家具安防、汽車倒車等小距離測(cè)量。