基于單片機(jī)設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)的簡述

蔣禮林 李宇

摘 要：隨著社會的不斷發(fā)展與進(jìn)步，帶動了科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，同時科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于軍事和民用的各個領(lǐng)域，給人們的生活帶來了極大的方便?；趩纹瑱C(jī)設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)充分利用了超聲波的各項特點(diǎn)能為人們的應(yīng)用提供極好的服務(wù)。由于測距在很大程度上依賴于方向，而超聲波具有強(qiáng)束射性的特性，所以它被廣泛用于測距系統(tǒng)中。采用超聲波測距具有快速、便捷、易于計算和實時監(jiān)控的優(yōu)勢，并且能滿足工業(yè)上對測量精度的要求，從而它已被廣泛應(yīng)用于汽車安全系統(tǒng)、海洋檢測和機(jī)器人等領(lǐng)域。本文簡述了基于單片機(jī)設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)的相關(guān)研究，并有利于從事該項研究的人員進(jìn)行分析與參考。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)設(shè)計;超聲波測距系統(tǒng);束射性;海洋檢測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.131

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的蓬勃發(fā)展，超聲波已廣泛應(yīng)用于各類傳感器。由于捕獲信息途徑的多樣化，只靠單一傳感器采集的信息具有精度差和不完整的缺點(diǎn)，從而容易導(dǎo)致信息發(fā)生偏差或錯誤。然而，基于超聲波技術(shù)的傳感器具有準(zhǔn)確性高和完備性好的特點(diǎn)，能很好地彌補(bǔ)單一傳感器數(shù)據(jù)采集的缺陷。在超聲波測距體系中，由于信息表現(xiàn)形式的多樣性、信息數(shù)量的巨大性、信息關(guān)系的復(fù)雜性以及獲取信息處理的及時性和準(zhǔn)確性，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人腦的對信息綜合處理能力。因此，基于單片機(jī)設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，能為人們的生活提供廣泛的服務(wù)。

1 基于單片機(jī)設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)的重要性

伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳感器廣泛應(yīng)用于超聲波技術(shù)的實例越來越多，這是人類文明走向科技發(fā)展道路的體現(xiàn)。傳感技術(shù)在科學(xué)技術(shù)變革中扮演先行者的角色，它體現(xiàn)了整個技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。鑒于世界各國有關(guān)研究、生產(chǎn)、應(yīng)用部門中，傳感器是發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一?；趩纹瑱C(jī)設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)的基本思想就是利用超聲波的時間和速度之間函數(shù)關(guān)系計算被測物體的距離，并用超聲波來代替?zhèn)鞲衅?，最終實現(xiàn)對距離的測量，并對測距系統(tǒng)的效果有較好的影響。近年來，國外和國內(nèi)團(tuán)隊加強(qiáng)了超聲波測距系統(tǒng)的研究，極大地提升和完善了超聲波測距系統(tǒng)的應(yīng)用。測量模型建模方法具有多樣性，然而如何選擇可測變量、怎樣對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及如何對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行在線更新等等就成為了超聲波測距的關(guān)鍵步驟。超聲波在傳感器中作用的分析如下：

（1）超聲波測距與同類型非接觸式的測距方式（如電磁法、光學(xué)法）相比較，電磁法雖然不會受到光線強(qiáng)弱的干擾，但是會受到磁場的影響;而超聲波測距法具有避免光線強(qiáng)弱、物體大小以及周圍電磁的干擾的優(yōu)勢性。超聲波測距系統(tǒng)對于測量目標(biāo)所處的環(huán)境有一定的適應(yīng)能力，已被廣泛應(yīng)用于各種條件的測量，主要體現(xiàn)在液位測量、機(jī)械手控制、車輛自動導(dǎo)航和目標(biāo)識別等方面，特別是在空氣中的使用最為突出。

（2）超聲波是一種目標(biāo)性強(qiáng)，能量損耗較慢的聲波，它可以在各種介質(zhì)中進(jìn)行，并且運(yùn)行距離也比較遠(yuǎn)，超聲波通常被用于距離的測量，特別是距離較遠(yuǎn)的測量工作。

（3）超聲波是一種具有反射，折射，散射等聲波傳送的物理性質(zhì)的聲波，它不僅可以與物理產(chǎn)生靈活、緊密的聯(lián)系，還可以對溫度、粉塵濃度和濕度以及電磁干擾較高的環(huán)境下工作。通過計算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳播距離來進(jìn)行距離的測量，超聲波的速度不會受到頻率的影響。超聲波的優(yōu)勢越來越被人們所喜愛。

2 基于單片機(jī)設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)的工作原理

（1）超聲波測距系統(tǒng)的工作原理是通過將單片機(jī)發(fā)出的短暫的脈沖信號進(jìn)行放大后利用超聲波換能器將能量輸出，再將超聲波換能器反射回來的信號輸入到系統(tǒng)和信號處理，并通過單片機(jī)計算出時間，再由系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，最后將判斷后的數(shù)據(jù)通過LED顯示電路顯示出來。這個過程主要是由單片機(jī)系統(tǒng)、超聲波發(fā)射和檢測電路完成。超聲波發(fā)射器負(fù)責(zé)讓超聲波在空氣中以特定的速度（v）傳播，在觸碰到檢測物體后又通過被測物體將信號反射回來，由接收機(jī)記錄接收的時間（t）和信號，最后由速度和時間的關(guān)系計算出被測物體的距離。由于超聲波的速度會受到溫度的影響，所以在進(jìn)行檢測時需要注意對溫度的控制。

（2）超聲波測距系統(tǒng)的發(fā)送與接收電路的設(shè)計是由超聲波產(chǎn)生信號，并通過單片機(jī)的端口將脈沖群發(fā)送（每個脈沖群維持的時間約為1/5000s），再通過三極管將信號進(jìn)行放大，然后經(jīng)過變壓器驅(qū)動超聲波發(fā)射頭，之后在發(fā)射轉(zhuǎn)換能的兩端加上高電壓驅(qū)動內(nèi)部的壓電晶片，最后通過壓電換能器將脈沖超聲波發(fā)出。當(dāng)超聲波觸碰到被測物體時就會形成反射波，同時反射波會將信息返回到傳感器上，最后傳感器再將傳回的信息進(jìn)行處理顯示。

超聲波傳感器的主要指標(biāo)如下：

1）傳感器工作的頻率就是指壓電晶片震動的頻率，當(dāng)發(fā)射轉(zhuǎn)換能兩端頻率與壓電晶片頻率越接近時，輸出的能量也就越大靈活度也就越高。

2）傳感器工作時的溫度取決于超聲波使用時的功率，特別是用于醫(yī)療診斷的超聲波探頭，超聲波探頭的功率越小，工作的溫度也就越低，可以保證超聲波能夠長時間使用。

3）傳感器工作時的靈活度取決于壓電晶片制造是機(jī)電耦合系數(shù)的大小，機(jī)電耦合系數(shù)越大，那么靈活度就會越高;反之，機(jī)電耦合系數(shù)越小，靈活度越低。

（3）超聲波發(fā)送的脈沖信號是由單片機(jī)產(chǎn)生的，脈沖信號通過三極管將之放大到一定程度在用驅(qū)動超聲波換能器將超聲波發(fā)射出去，再有脈沖超聲發(fā)射返回的時間計算出被測物體的距離。超聲波的發(fā)射利用了逆電壓效應(yīng)，在壓電晶片上施加一定的作用力，使壓電晶片產(chǎn)生相互作用力從而推動超聲波發(fā)射。

3 超聲波的算法分析

如表1所示為不同溫度下的超聲波聲速，如超聲波發(fā)生器在某一時段發(fā)出超聲波信號，當(dāng)超聲波接觸到被測物體時就會反射回到超聲波接收器中，這樣只需要計算超聲波發(fā)出和反射回來的時間，就可以計算出超聲波發(fā)生器與被測物體的距離，距離測算公式為：。d代表的是被測的距離，s表示聲波發(fā)射和返回的路程，v表示超聲波的速度，t表示超聲波發(fā)出到返回的時間。超聲波往返的時間與溫度之間有著密切的聯(lián)系（見表1）。如果溫度的變化不是很大，則可近似認(rèn)為超聲波的速度保持不變，如能夠確定超聲波來回的時間，最后就能夠確定超聲波發(fā)生器與被測物體的距離。

4 超聲波測距系統(tǒng)誤差分析

4.1 超聲波的聲速對測量精確度的影響

準(zhǔn)確確定超聲波的聲速是保證測量精確度的首要條件，因為傳播介質(zhì)的溫度、壓力和密度都會對超聲波的聲速造成不同程度的影響。傳播介質(zhì)中超聲波速率的變化對超聲波測距精確的影響因素分析如下：

（1）傳播介質(zhì)的中溫度對超聲波聲速的影響。聲波在大氣中傳播時，溫度的變化是造成超聲波聲速變化的主要原因?？梢岳迷O(shè)定聲速和結(jié)合控制傳播介質(zhì)的溫度來對聲速進(jìn)行修改，此方法可有效減小因傳播介質(zhì)溫度的變化帶來的誤差。如果對測量精確度要求不高時，可不用對溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般情況，當(dāng)溫度為20℃左右時，波速度可取340m/s作為定量計算;當(dāng)溫度在-10℃～40℃之間變化時，超聲波聲速的誤差在-5%～5%之間變動。如果測量的地點(diǎn)是在室外，可以將該地區(qū)不同季節(jié)的溫度變化做一個統(tǒng)計，再根據(jù)測量精度要求對溫度進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)，這樣可以減小測量誤差和節(jié)約成本。

（2）傳播介質(zhì)的中空氣密度對超聲波聲速的影響。當(dāng)空氣的密度增大時，可知超聲波的聲速就會變大，反之，當(dāng)空氣的密度減小時，超聲波的聲速就會變小。另外，空氣密度和溫度也存在一定的關(guān)聯(lián)。超聲波聲速與溫度之間關(guān)系可表示為：

其中，d表示超聲波測出的距離，v表示超聲波在傳播介質(zhì)中的聲速，v0表示溫度為零攝氏度時超聲波的聲速332m/s，t表示超聲波發(fā)出到返回的時間，T（℃）表示傳播介質(zhì)的溫度。另外，近似公式：v=v0+0.607×T，其中v0表示溫度為零攝氏度時超聲波的聲速332m/s，T表示測量時的傳播介質(zhì)的實際溫度。如果超聲波測距的精確度要求是在1mm的話，那么必須考慮將超聲波的速率與環(huán)境溫度之間的關(guān)系。比如當(dāng)溫度在零攝氏度時，超聲波的聲速是332m/s，當(dāng)溫度在30℃時超聲波的聲速是350m/s，可知當(dāng)溫度每增加30℃超聲波聲速相應(yīng)增加18m/s。如果環(huán)境溫度保持在0～30℃之間，則測量距離為100m的誤差約為5m。

4.2 時間誤差對超聲波測距精確度的影響分析

如果超聲波測距的精確度要求是在1mm時，當(dāng)室溫為20℃時超聲波聲速取344m/s，忽略聲速的誤差，測距的時間約為2.907μs。在超聲波聲速值是準(zhǔn)確的條件下，只要將測距的傳播時間的誤差限定在微秒（μs）范圍內(nèi)，就可以保證測距的精確度小于等于1mm。

5 結(jié)束語

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，人們對于超聲波的運(yùn)用已越來越廣泛。如今在我國大部分基于單片機(jī)設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)已經(jīng)使用進(jìn)了全新的方法，不僅提高了我國工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，在更大程度上對于我國的工業(yè)發(fā)展有著很積極的作用。全球經(jīng)濟(jì)化使得社會不斷地向前發(fā)展著，為了能夠提供更多更好的合理化超聲波測距技術(shù)，就必須先了解其性能，同時對其發(fā)展趨勢做出合理的分析，進(jìn)而對產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新性改進(jìn)和設(shè)計，滿足市場的需求。總之，根據(jù)目前社會發(fā)展和全球一體化發(fā)展的趨勢下，必須要創(chuàng)新性地設(shè)計和優(yōu)化超聲波測距系統(tǒng)，才能夠讓基于單片機(jī)設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)在未來得到更好的發(fā)展。

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基金項目：廣西省高等教育本科教學(xué)改革工程項目，編號：2012JGA217。

作者簡介：蔣禮林（1978-），男，壯族，廣西桂林人，研究生，副研究員，研究方向：基于虛擬實驗和電子系統(tǒng)設(shè)計。