基于單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究

霍海波

摘要：隨著時(shí)代的進(jìn)步，科技的創(chuàng)新，我國在很多領(lǐng)域都取得了巨大的成效。在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程中，應(yīng)用較為廣泛的是利用超聲波進(jìn)行距離非接觸式的測(cè)量，當(dāng)下，該技術(shù)已經(jīng)趨于成熟化。在工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程中應(yīng)用較為廣泛的有液位的測(cè)量、機(jī)器人的定位、輔助視覺系統(tǒng)、車位的定位與導(dǎo)航等，利用單片機(jī)進(jìn)行的高精度超聲波測(cè)距能夠詳細(xì)地從中得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果。實(shí)際工作中我們可以利用高精度的超聲波技術(shù)自身的一些特點(diǎn)，進(jìn)行總結(jié)分析，制定出全新的、精度較高的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，并將該技術(shù)應(yīng)用到一些惡劣的環(huán)境中，進(jìn)行測(cè)距工作。事實(shí)上，在實(shí)際現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程中，我國現(xiàn)階段所擁有的超聲波測(cè)距技術(shù)的發(fā)展還不夠成熟，使得所制作的超聲波測(cè)距儀所測(cè)得的數(shù)據(jù)精密度一貫偏低。為了從真正意義上研究出適應(yīng)新時(shí)代工業(yè)化生產(chǎn)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)，我們針對(duì)“基于單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)”這一話題展開了一個(gè)深刻的探討，從回波信號(hào)處理的角度出發(fā)，分析出了超聲波曲線的獨(dú)有特性，并以單片機(jī)為核心，介紹了基于單片機(jī)技術(shù)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);高精度;超聲波;測(cè)距系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：F275 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基于單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)是一種新時(shí)代下技術(shù)產(chǎn)物，該技術(shù)的引入可以在很大程度上提高我國企業(yè)工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)程的工業(yè)測(cè)距工作，充分發(fā)揮高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的獨(dú)有作用。但傳統(tǒng)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)還存在著很多不足，技術(shù)的不完善使得該技術(shù)在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)測(cè)距過程中出現(xiàn)了很多問題?；诓煌h(huán)境之下的單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)所得出的測(cè)距數(shù)據(jù)是不一致的，在一些較為惡劣、有毒的環(huán)境下，我們很難得出較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。為此，現(xiàn)階段我國加大了對(duì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研究與改進(jìn)，引入了基于單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)，以此來解決實(shí)際測(cè)距工作中由于環(huán)境或者其他因素造成的回波信號(hào)過差、測(cè)量數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等不利工業(yè)測(cè)量現(xiàn)象。由此，新時(shí)代下的高精密度超聲波測(cè)距系統(tǒng)具備了全新的距離測(cè)控特性，解決了傳統(tǒng)工業(yè)距離測(cè)量中所存在的差別，分析了出現(xiàn)測(cè)量誤差的具體原因，并構(gòu)建出全新的、適應(yīng)新時(shí)代背景下工業(yè)測(cè)量的工業(yè)距離測(cè)控工具。

1 回波信號(hào)包絡(luò)研究

基于單片機(jī)下的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)對(duì)工業(yè)距離的測(cè)量結(jié)果有著很高的要求標(biāo)準(zhǔn)，同傳統(tǒng)的超聲波工業(yè)測(cè)距方式相比具有其獨(dú)有的特性。我國傳統(tǒng)的超聲波工業(yè)測(cè)距方案較為陳舊，該測(cè)距方式已經(jīng)不適合當(dāng)今時(shí)代背景的發(fā)展，利用傳統(tǒng)固定電平來判斷回波的具體到達(dá)時(shí)刻的超聲波測(cè)距方案存在著較大的誤差，并不能測(cè)出實(shí)際距離。其中，誤差有大有小，過大的誤差將會(huì)在很大程度上影響到我國工業(yè)化進(jìn)程的有效開展，并對(duì)后續(xù)工業(yè)工作的正常開展造成巨大的影響。我們針對(duì)這一工業(yè)測(cè)距誤差展開了一個(gè)系統(tǒng)化的討論，并作出了相應(yīng)的技術(shù)性改革[1]。針對(duì)這種測(cè)距誤差所提出的可變閾值的超聲波測(cè)距方式，技術(shù)人員可以對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的分析、調(diào)查，并尋找出導(dǎo)致工業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差的根本原因，最初所得出的結(jié)論是因工業(yè)環(huán)境中存在干擾信號(hào)的因素，使得超聲波測(cè)距主芯片會(huì)在實(shí)際測(cè)量中產(chǎn)生誤差，錯(cuò)誤的判斷回波時(shí)刻的到來，進(jìn)而促使工業(yè)測(cè)量中所得出的測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。通過精密的研究，我們可以得出一個(gè)全新的理論：實(shí)際工業(yè)測(cè)距過程中超聲回波在脈寬實(shí)踐中，電壓可以達(dá)到最大峰值。在接收電路的過程中，我們可以利用電路的特性進(jìn)行改進(jìn)技術(shù)，在電路設(shè)計(jì)中引入精密度較高的絕對(duì)值轉(zhuǎn)換電路。利用電路的特性對(duì)超聲波進(jìn)行大范圍的包絡(luò)，最后，通過檢測(cè)電路，向單片機(jī)技術(shù)發(fā)出中斷信號(hào)，以此來終止外部計(jì)時(shí)器的運(yùn)行。其中，可以稱單片機(jī)發(fā)射一個(gè)脈沖后所啟動(dòng)的顳部計(jì)數(shù)器時(shí)到外部中斷所觸發(fā)的計(jì)數(shù)器停止時(shí)間超聲波脈沖的渡越時(shí)間。

2 超聲波測(cè)距原理及系統(tǒng)組成

實(shí)際工作中，我們所談到的超聲波測(cè)距功能的實(shí)現(xiàn)主要是利用超聲波脈沖回波渡越時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。為了能夠加深行業(yè)界對(duì)該技術(shù)的了解，在本文的介紹中，我們?cè)敿?xì)地指出了超聲波測(cè)距的工作原理和系統(tǒng)組成，分別如下：

2.1 超聲波測(cè)距原理

超聲波測(cè)距原理主要是通過超聲波發(fā)射裝置所發(fā)出的超聲波而進(jìn)行測(cè)距，該技術(shù)同雷達(dá)測(cè)距原理有很多相似之處，主要是利用接收器所接到的超聲波的時(shí)間差進(jìn)行計(jì)量[2]。一旦超聲波發(fā)射器開始向測(cè)距方向發(fā)出超聲波，我們需要在超聲波發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，利用超聲波在空氣傳播過程中接觸到障礙物就會(huì)反射回來的原理特性，在收到反射波的同時(shí)需要及時(shí)停止計(jì)時(shí)。由此得出的數(shù)據(jù)就是超聲波所測(cè)得的距離，而該計(jì)算原理主要利用超聲波在空氣中的傳播速度與計(jì)時(shí)器實(shí)際所記錄的時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)與障礙物的距離，即工業(yè)測(cè)距上我們所需要的數(shù)據(jù)。

2.2 超聲波系統(tǒng)組成

基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要由單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、發(fā)射接收轉(zhuǎn)換電路、接收前置放大電路、帶通濾波電路、自動(dòng)增益控制電路、絕對(duì)值變換電路、檢波電路、過零檢測(cè)電路、環(huán)境溫度采集電路、存儲(chǔ)電路、顯示電路和超聲波傳感器組成。其中，單片機(jī)是整個(gè)超聲波系統(tǒng)構(gòu)成的核心部件，該部件主要用于協(xié)調(diào)各個(gè)部分電路的正常工作[3]。需要注意的是超聲波在實(shí)際測(cè)距過程中具備著較強(qiáng)的指向性，它所傳播的速度較快、范圍較廣，因此該技術(shù)經(jīng)常被應(yīng)用到實(shí)際生活中距離的測(cè)量，常見的測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x都用到了該技術(shù)。利用超聲波進(jìn)行距離檢測(cè)存在很大的優(yōu)勢(shì)，我們可以在短時(shí)間內(nèi)方便、迅速地得出較為準(zhǔn)確的測(cè)距數(shù)據(jù)，并且該測(cè)量技術(shù)的操作過程相對(duì)其他測(cè)量工具而言計(jì)算簡(jiǎn)單、易于操作、結(jié)論準(zhǔn)確，在測(cè)量精度上也可以達(dá)到工業(yè)測(cè)距的實(shí)際要求。因此，實(shí)際生活中，超聲波測(cè)距系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)及接收轉(zhuǎn)換電路

在系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)中，利用超聲波所發(fā)射驅(qū)動(dòng)及接受轉(zhuǎn)換電路是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。需要注意的是在實(shí)際運(yùn)行過程中，該技術(shù)主要借助于單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。首先，利用單片機(jī)所產(chǎn)生的聲波脈沖信號(hào)在輸出的過程中可以利用三極管和變壓器放大自身功率，同時(shí)也可以利用變壓器進(jìn)行電壓的再次放大，放大倍數(shù)可以達(dá)到10倍，后期可以利用變壓器和電阻進(jìn)行功率的放大和限流，以免實(shí)際運(yùn)行過程中由于電壓過高導(dǎo)致電路出現(xiàn)堵塞的不利現(xiàn)象。利用超聲波在實(shí)際空氣傳播過程中，受到外界物體阻礙就會(huì)立刻反射的特性，我們可以將超聲波的回波信號(hào)承載在超聲波換能器上，使得電壓所輸出的回?fù)苄盘?hào)通過電阻、電容進(jìn)入電路的輸入端。

3.2 自動(dòng)增益控制電路

通常來說，超聲波的特性使得實(shí)際測(cè)距工作中回波信號(hào)的幅度大小會(huì)隨著實(shí)際測(cè)距距離的變化而變化，經(jīng)測(cè)量該變化幅度較大。很容易促使測(cè)距過程中因?yàn)榛夭ㄐ盘?hào)的變化幅度過大，而出現(xiàn)測(cè)量誤差，為解決這一問題，技術(shù)人員必須利用增益控制技術(shù)來形成滿足電路的要求。利用自動(dòng)增益可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)控制電路的目的，而實(shí)現(xiàn)增益的方式有很多種，我們可以根據(jù)不同的情況設(shè)計(jì)出不同的電路，并利用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)聯(lián)合。而單片機(jī)則是主要利用中斷計(jì)時(shí)器原理來實(shí)現(xiàn)電路增益的，因此在一定時(shí)間內(nèi)利用定時(shí)器就可以實(shí)現(xiàn)一次中斷，可以利用查表方式取得相應(yīng)的增益數(shù)據(jù)。最后，用相應(yīng)的電路接口設(shè)置對(duì)應(yīng)的增益。

3.3 溫度補(bǔ)償

結(jié)合超聲波在不同氣體中傳播的特性，我們可以了解到超聲波在不同環(huán)境下的傳播速度是不統(tǒng)一的，即在固體中傳播速度最快、液體中超聲波的傳播速度最慢，與此同時(shí)它的傳播速度與傳播環(huán)境的溫度也息息相關(guān)。這就要求在實(shí)際工業(yè)測(cè)距過程中，工業(yè)測(cè)距人員必須考慮到所測(cè)量范圍的具體溫度，一旦測(cè)量環(huán)境存在溫差變化較大的情況，測(cè)距人員需要考慮溫度補(bǔ)償問題。倘若不考慮溫度補(bǔ)償問題，很容易形成巨大的測(cè)距誤差，溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響將會(huì)從本質(zhì)上影響計(jì)算所得出的距離[4]。因此，我們必須及時(shí)重視這一問題，尋找解決溫度對(duì)超聲波造成影響的重要原因，并提出相應(yīng)的解決對(duì)策，由此，現(xiàn)階段技術(shù)人員提出了溫度補(bǔ)償問題，即利用溫度補(bǔ)償，解決實(shí)際測(cè)量過程中由于溫差過大對(duì)超聲波傳播速度所造成的影響?，F(xiàn)階段，市場(chǎng)上所推出數(shù)字溫度計(jì)可以直接實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的連接，通過二者的連接來控制溫度值的變化程度，并利用該原理補(bǔ)償聲速。

4 結(jié)語

總之，隨著時(shí)代的進(jìn)步、科技的發(fā)展，我國在超聲波測(cè)距系統(tǒng)上取得了新的成就。同傳統(tǒng)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)不同，新時(shí)代背景下的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)測(cè)距系統(tǒng)中存在的諸多不足，目前，我們已經(jīng)結(jié)合新的技術(shù)，研制出了全新的、符合測(cè)距需求的測(cè)距系統(tǒng)。當(dāng)下基于單片機(jī)下的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)已經(jīng)得到了進(jìn)一步的完善，在信號(hào)處理上已經(jīng)取得了良好的效果。與此同時(shí)，單片機(jī)高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)也已經(jīng)在實(shí)際生活中得到了較為廣泛的應(yīng)用。再者，為了能夠更好的完善單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)，技術(shù)人員在研制過程中不斷尋找更成熟化的測(cè)距技術(shù)，力求將單片機(jī)高精度超聲波測(cè)量技術(shù)打造為成熟化的測(cè)距工具，并拓寬開測(cè)距技術(shù)所應(yīng)用的范圍，使得該技術(shù)能夠更好地得到社會(huì)的認(rèn)可。

參考文獻(xiàn)

[1] 何力民.系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

[2] 周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)（修訂版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002

[3] 黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[4] 樓然苗，李光飛.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.