基于時差測距原理的超聲波測距系統的設計

邵扣宗

（江蘇省靖江中等專業學校，江蘇 靖江214500）

0 引言

超聲波作為一種檢測技術，采用的是非接觸式測量，此特點可使測量儀器不受被測介質的影響[1-2]。這就大大解決了在粉塵多情況下，給人類引起的身體接觸傷害，腐蝕性質的被測物對測量儀器腐蝕，觸點接觸不良造成的誤測情況。且對被測元件無磨損，使測量儀器牢固耐用，使用壽命加長，而且還降低了能量消耗，節省人力和勞動的強度。無論從精度還是從可靠性方面，超聲波測距做得都比較好[3-4]。利用超聲波檢測即迅速，方便，計算簡單，又易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業實用的要求,具有廣泛的發展前景。

這些年來，隨著超聲波技術研究的不斷深入，超聲波的應用變得越來越普及。目前已經廣泛地應用在機械制造、電子冶金、航海等工業領域。目前國內專用超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度[5-8]。

1 超聲波測距原理

本硬件設計采用超聲波往返時間檢測法，其原理為：檢測從超聲波發射器發出的超聲波，經氣體介質的傳播到接收器的時間，即往返時間。往返時間與氣體介質中的聲速相乘，就是聲波傳輸的距離。而所測距離是聲波傳輸距離的一半，即∶

在上式中，L為待測距離，v為超聲波的聲速，t為往返時間。由下式計算測量誤差;

式中，σL為測距誤差，v為聲速，σΔt為時間測量誤差，σv為聲速誤差。

2 超聲波測距系統的硬件設計

發射電壓從理論上來說是越高越好，因為對同一只發射傳感器而言，電壓越高，發射的超聲波功率就越大，這樣能夠在接受傳感器上接收的回波功率就比較大，對于接收電路的設計就相對簡單一點。但是，每一只實際的發射傳感器有其工作電壓的極限值，會對傳感器的內部電路造成不可恢復的傷害。

發射部分的點脈沖電壓很高，但是由于障礙物回波引起的壓電晶片產生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進行處理就必須放大到一定的幅度，最終達到對回波進行放大檢測，產生一個單片機能夠識別的中斷信號作為回波到達的標志。

圖1 超聲測距硬件結構圖

2.1 發射部分

（1）發射波形

發射部分用單片機產生40kHz的方波，然后加以驅動。波形經過放大后發生輕微變化后送至發射傳感器發射出的信號，理論上是穩定變化的，為使傳感器充分震蕩，發射脈寬不可以過小，一般來說我們選擇40kHz的方波信號，但是實際情況是我們可以得到頻率為39kHz到40kHz之間的信號。

（2）發射電壓

傳感器發射電壓大小主要取決于發射信號損失及接收器的靈敏度。在發射端電源處極其容易產生干擾，可以選擇適當大小的電容進行濾波。設計的發射電路如圖2所示。

圖2 超聲波發射放大電路

2.2 接收部分

在傳感器接收的信號中，除了障礙物反射的回波外，總混有雜波和干擾脈沖等環境噪聲。環境噪聲主要集中在低頻段，遠離回波信號頻率。因此系統的總噪聲系數主要有接收機的內部噪音決定，其功率譜寬度遠大于接收機的通頻帶，而且內部會產生一個有用信號頻率基本相同，只有輻值不同的信號，可以使用一些特殊的電路將其隔離。接收電路如圖3所示。

圖3 接收電路

2.3 檢測單元

接收信號放大到2V左右時，就可以進行信號檢測，信號檢測的目的是確定接收信號的到達時間，這是整個電路一個關鍵的地方。因為它不僅決定系統的測量精度，還關系到整個系統是否能正常工作。

檢測電路設計的要求是保證每次接收信號都能被準確的鑒別出來轉換成數字脈沖去觸發單片機的外中斷引腳，通常采用某一固定電平或滑動門限電平作為比較電平，以零電作為比較電平是行不通的。這樣一來，即使沒有接收信號，也會造成比較器反復觸發，從而無法判斷那個信號是真正的接收信號。若采用某一高于一般噪聲峰值的固定電平，這樣就可以消除一般噪聲的影響，而且比較電平固定，可以實現對電路信號的準確檢測。

2.4 顯示單元

顯示器是一個典型的輸出設備，而且其應用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產品都要用到顯示器，其差別僅在于顯示器的結構類型不同而已。最簡單的顯示器可以使用LED發光二極管，給出一個簡單的開關量信息。

2.5 聲速校正

要想通過測量超聲波傳播時間確定距離，聲速C必須恒定。實際上，聲速隨著介質、溫度、壓力等變化而變化。一般情況下，由于大氣壓力變化比較小，因此傳播速度主要考慮溫度的影響。通過溫度修正，即根據聲速與溫度的關系計算出測量時實際環境中的聲速，再根據測距公式得到距離。空氣中聲速C與溫度T的關系在常溫下可以用公式（3）表示。

2.6 干擾問題的解決方法

干擾主要是外界高頻噪音及電源等對信號產生的干擾。由于這類干擾信號尤其是電源干擾信號和有用信號極其相似，因此不容易檢測出回波信號。針對這樣的干擾信號，可以通過選擇合適的元器件，加之濾波電路就可以消除干擾。

3 超聲波測距系統的軟件設計

3.1 信號控制

在系統軟件中，要完成接收控制信號、發射脈沖信號、峰值采集信號的時序及輸出信號處理后的顯示等。

3.2 數據存儲

為了得到發射信號與接收回波間的時間差，要讀出此刻計數器的數值，然后存儲在RAM中，而且每次發射周期的開始，需要計數器清零，以備后續處理。

3.3 信號處理

用超聲頻脈沖激勵超聲波探頭，使之向外界輻射超聲波，并接收從被測物體反射回來的超聲波(簡稱回波)，通過檢測或估計從發射超聲波至接收回波所經歷的時間段t(稱為射程時間)，然后按下式計算超聲波探頭與被測物體之間的距離L，即

式中，C為空氣介質中聲波的傳播速度。

由式（4）可知，當傳播介質的溫度發生變化時，聲的傳播速度。也隨之改變。因此，在超聲波測距儀中均內置溫度探頭，用于實時檢測聲傳播介質的溫度，以補償環境溫度變化對測距精度的影響。為了改善超聲波測距系統的性能，僅僅從系統的硬件入手是不夠的，還必須研究與硬件系統相適應的測量信息處理方法。

在此超聲波測距儀的設計中，RAM中存儲的計數值不能作為距離值直接顯示輸出，因為計數值與實際的距離值之間的轉換公式。

其中，t為發射信號到接收信號之間經歷的時間，Tr為方波信號作為計數脈沖時計數器的時間分辨率，N為計數器的值。

3.4 數據輸出與顯示

經軟件處理得到距離傳送的四位LED顯示。

由于距離值的得到及顯示是中斷子程序中完成的，因此在初始化發射程序后進入中斷響應的等待，在中斷響應的之后，原始數據經計數值與距離值換算子程序，二進制與十進制轉換后顯示輸出。

整個系統軟件功能的實現可以分為主程序、子程序、中斷服務程序幾個主要部分。

3.5 超聲波測距系統軟件流程圖

圖4 測距系統軟件流程圖

4 結論

基于時差測距原理設計了8051單片機為核心的低成本、高精度、微型化數字顯示超聲波測距系統，給出了原理框圖和硬件各部分的實現，并進行了軟件設計。在本設計方案中還存在著一些不足，例如環境溫度的變化將影響超聲波在媒質中的傳播速度受溫度影響造成的誤差無法消除。

［1］卜英勇,王紀嬋,趙海鳴,等.基于單片機的高精度超聲波測距系統[J].儀表技術與傳感器,2007,3∶66-68

［2］馬大猷.現代聲學理論基礎[M].北京∶科學出版社,2004.

［3］曹建海,路長厚,韓旭東.基于單片機的超聲波液位測量系統[J].儀表技術與傳感器,2004(1)∶39-40.

［4］趙海鳴,卜英勇,王紀嬋.一種高精度超聲波測距系統的研制[J].礦業研究與開發,2006(3)∶62-65.