超聲波測距儀的設(shè)計與研究

時 楊，楊澳妮，吳若潔，徐 強(qiáng)

（四川師范大學(xué)，四川 成都 610000）

1 引言

超聲波的檢測通常相對快速、方便且能夠很好地實現(xiàn)實時控制，在實時測量的高精度方面可以很好地滿足科學(xué)和工業(yè)實用指標(biāo)的要求。非接觸式超聲波的測距系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于防洪、空間定位、物體識別與定位、車輛安全與駕駛、輔助控制系統(tǒng)甚至是地形水文地貌等領(lǐng)域。因此，目前研究的超聲波測距系統(tǒng)具有重要的經(jīng)濟(jì)學(xué)現(xiàn)實性和社會應(yīng)用意義。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該系統(tǒng)以STC89C52 為控制核心，硬件功能分為溫度補(bǔ)償、測距以及顯示3 大部分，預(yù)留了按鍵電路供以后擴(kuò)展功能使用，如語音播報等。系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示，硬件設(shè)計電路圖如圖2 所示。

2.1 單片機(jī)選擇

因為系統(tǒng)需要具有顯示控制電路、溫度測量電路以及測距電路，且需要使用更多的I/O 接口，所以使用的是STC89C52 微控制器。STC89C52 是一款低成本功耗、高性能的CMOS8 位微控制器，片上具有8 kB 的閃存Flash、32 位的I/O 線、3 個16位的定時器/中斷計數(shù)器、1 個6 級定時器和中斷結(jié)構(gòu)的載體，完全滿足了系統(tǒng)需求。

2.2 超聲波測距模塊設(shè)計

本系統(tǒng)主要采用HC-SR04 作為測距模塊，自動向傳感器發(fā)送8 個40 kHz 的方波。當(dāng)傳感器檢測信號看到其中有方波信號返回時，IO 口Echo 輸出為高電平；傳感器未檢測到信號時，Echo 為低電平［1］。

實際進(jìn)行測量時，探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射的同時開始計時，當(dāng)超聲波遇到障礙物時返回［2］，接收探頭檢測到返回的超聲波后停止計時，只需要記錄時間量為t。通過公式s=vt/2，可得到障礙物距離s。

2.3 溫度補(bǔ)償模塊

超聲波在空氣中傳播的頻率和速度一般會隨周圍環(huán)境的溫度而發(fā)生變化，因此要精確測量與某個特定目標(biāo)或其他物體之間的距離時，一定要注意確保周圍的溫度都處于合適的范圍。

本系統(tǒng)主要采用DS18B20 溫度傳感器進(jìn)行聲波溫度的補(bǔ)償。聲波在環(huán)境中傳播的速度v用聲波溫度公式v=331.5+0.607t（m/s）計算，式中t為聲波補(bǔ)償溫度（℃），由此可以減小聲波隨環(huán)境中溫度變化引起的測量誤差。

2.4 顯示模塊

LCD1602 能夠清晰準(zhǔn)確地顯示字符和數(shù)字。本系統(tǒng)采用它作為顯示模塊，其中數(shù)據(jù)引腳連接到微控制器端口P0。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

優(yōu)秀的軟件設(shè)計可以提高系統(tǒng)的可靠性，有效提高單片機(jī)的運行效率［2］。本設(shè)計將程序進(jìn)行分塊設(shè)計，分為測距程序、測溫程序等。

3.1 主程序設(shè)計

上電后，單片機(jī)自動初始化讀取端口和計數(shù)器的中斷，先計算讀取端口的溫度，保留一個小數(shù)點后，將溫度數(shù)據(jù)存儲在單片機(jī)中。調(diào)用一個測距子程序，根據(jù)測距子程序計算當(dāng)前的聲波速度，以獲得與障礙物的距離，并將當(dāng)前的溫度和障礙物的距離一起顯示在LCD 屏幕上。主程序流程如圖3 所示。

3.2 超聲波測距程序設(shè)計

上電后單片機(jī)自動初始化。Trig 為高電平時，HC-SR04 開始正常工作，延時10 μs。先關(guān)閉單片機(jī)定時器，計數(shù)器自動清零。單片機(jī)檢測到Echo=1時立即啟動定時器，Echo=0 時單片機(jī)關(guān)閉定時器。Echo=1（高電平）的時間t即單片機(jī)超聲波從發(fā)射到返回接收的持續(xù)時間［1］，計算可得到距離s。測距流程如圖4 所示。

4 系統(tǒng)測距結(jié)果及分析

為了分析系統(tǒng)誤差，采用控制變量法，分以下4 組情況進(jìn)行測量。

第1 組：正常情況下，超聲波測距儀有溫度補(bǔ)償，室溫19 ℃，障礙物為光滑的墻壁。

第2 組：只改變溫度，即當(dāng)溫度升高到30 ℃，有溫度補(bǔ)償，障礙物為光滑的墻壁。

第3 組：只改變障礙物的粗糙程度，即當(dāng)障礙物為粗糙的物體如紙漿盒時，溫度為室溫19 ℃，有溫度補(bǔ)償。

第4 組，沒有溫度補(bǔ)償，即室溫19 ℃，障礙物為光滑的墻壁。

測試數(shù)據(jù)如表1所示，其中誤差均為絕對誤差，測量結(jié)果和誤差的單位均為m。

在0.03%誤差下分析第1 組數(shù)據(jù)如圖5 所示，對不同條件下的誤差進(jìn)行對比如圖6 所示。

第1 組，在0～2 m 范圍內(nèi)，絕對誤差不超過0.02 m，最大誤差百分比為2.5%。在0.03%誤差分析下，R2接近1，擬合優(yōu)度好，測量結(jié)果精確度高。

第2 組，和第1 組誤差對比，說明存在溫度變化，同樣有溫度補(bǔ)償，測量結(jié)果差距較大，最大誤差在0.04 m，最大誤差百分比約為5%。這是因為測量溫度的升高將直接導(dǎo)致超聲波探頭的發(fā)射、傳感器接收超聲波信號的能力大大下降，同時超聲波信號也會變?nèi)?，直接使得誤差幅度變大。

第3 組，和第1 組誤差對比，分析可得障礙物粗糙程度對測量結(jié)果的影響較小，誤差在0.03 m 以內(nèi)?？梢姡m然被側(cè)物粗糙，但在一定較短距離內(nèi)超聲波擴(kuò)散程度低，接觸到障礙物的點變化不大。

表1 不同條件下的測試數(shù)據(jù)

第4 組，沒有設(shè)備進(jìn)行溫度補(bǔ)償時，最大的誤差范圍是0.04 m，與第1 組相比精確度有所下降。這主要是因為超聲波在空氣環(huán)境中的傳播速度易受工作溫度的影響，一般工作環(huán)境溫度每升高1 ℃，聲速可以增加約0.6 m/s。因此，當(dāng)工作環(huán)境溫度變化劇烈時，一定要引入溫度補(bǔ)償來降低測量誤差。

系統(tǒng)誤差主要來自以下幾方面。第一，發(fā)射超聲波和啟動定時器之間的時差。單片機(jī)一次只能處理一件事情，啟動發(fā)射超聲波和開始計時實際上是先后完成的，存在偏差，但只要指令速度足夠快，可以彌補(bǔ)該項偏差。第二，收到回波和檢測出回波的滯后。此時，可適當(dāng)提高檢測電路靈敏度進(jìn)行補(bǔ)償，但靈敏度過高會將一些干擾信號當(dāng)成回波，導(dǎo)致單片機(jī)誤判。第三，收到中斷和中斷響應(yīng)的時間差，可通過提高單片機(jī)速度進(jìn)行彌補(bǔ)。第四，計時器本身誤差。此時應(yīng)提高計時的最小單位，同時選用更好的晶振。

本文只在2 m 范圍內(nèi)進(jìn)行誤差測量和分析，最短測量距離為0.03 m。當(dāng)實際距離小于0.03 m 時，由于超聲波往返時間過短，單片機(jī)來不及計時，不能很好得計算聲波持續(xù)時間，所以存在測距盲區(qū)。另外，超聲波的最大振動幅度、反射和與入射聲波之間的距離和夾角等因素，都會直接影響測量到該超聲波系統(tǒng)的最大可測距離。

5 結(jié)語

本文主要研究基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)，將超聲波在發(fā)射和接收之間的時間差與聲波傳播速度進(jìn)行結(jié)合，經(jīng)過溫度補(bǔ)償后，計算得出與障礙物的距離，進(jìn)而由LCD 顯示出來。通過分析實驗結(jié)果可得，該測距控制系統(tǒng)的測量精度較高，可以廣泛擴(kuò)展應(yīng)用于倒車行駛雷達(dá)、工業(yè)監(jiān)控以及自動化遠(yuǎn)程監(jiān)控等諸多領(lǐng)域。該超聲波測距系統(tǒng)誤差由多種原因引起：溫度越高，測量精度越低；距離越遠(yuǎn)，誤差越大；障礙物的粗糙程度也會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。