溫度修正的超聲波測距系統

徐秀麗+劉美麗+王丹

摘要本文設計了一個以單片機為主控制器、蜂鳴器作為報警模塊、溫度傳感器為測距補償模塊的超聲波測距系統。單片機通過對超聲波發出和返回的時間，并考量溫度對超聲波速度的影響，計算并顯示障礙物距系統的距離，當小于預設安全閾值時發出近距離報警提示。

關鍵詞單片機；超聲波測距；溫度補償；報警

超聲波測距應用廣泛，如用于車輛中，可以一定程度的避免新手對車距把握不準確的問題，和倒車中減少車輛的刮擦事故，倒車過程中存在視覺盲區導致駕駛員無法觀察到盲區的路面狀況，且與車輛后方障礙物的距離無法準確判斷，僅依照經驗判斷距離不能避免事故的發生。基于此，鑒于超聲波指向性好，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常被用于距離的測量。超聲波是一種頻率在20KHz以上的聲波，作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸的基本物理特性：反射、折射、干涉、衍射和散射，與物理聯系緊密，應用靈活。利用超聲波測距往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制。司機在需要時可啟動該裝置，單片機控制分散在車后的超聲波發射器發射超聲波，當遇到障礙物后會產生反射回的超聲波，被超聲波探測器吸收，通過單片機計算后，在數碼管上顯示出車與障礙物的距離，當距離小于安全距離時，控制蜂鳴器發出報警，從而減少刮擦、碰撞事故的發生。

由于激光測距方式適應惡劣天氣的能力較差且容易受到雨、雪、霧等環境因素的影響，而本設計中的裝置要求能適應通常天氣狀況，同時為了實用，盡可能降低成本，因此選擇超聲波測距方式。單片機控制超聲波發射器發射出超聲波，同時計時器啟動計時，超聲波在空氣中傳播，當遇到障礙物發生反射，反射回波被超聲波接收器接收到時，令計時器停止計時，所計時間為t，己知超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，由式：s=340xt/2，可測得系統與障礙物距離，單位為m。超聲波因其在不同溫度下傳播速度有差別，考慮溫度變化對超聲波傳播速度產生的的影響（表1），需要在測距時對超聲波傳播速度進行修正，從而減小溫度對測量帶來的誤差。超聲波在空氣中傳播速度與溫度的關系式：V=331.4+0.607T，其中，為溫度，單位為℃，V為超聲波在空氣中的傳播速度，單位為m/s。

為提高系統在測量時的精度，采用單總線數字溫度傳感器DS18820，根據溫度值范圍選取表1中合適的聲速值進行測距計算，但由于溫度參量是模擬變化的，并且溫度值常常有非整數的情況，因此，求超聲波的傳播速度還是需要進行溫度補償計算，才能得到一個相對精確的距離值。修正后的測量距離：s=（331.4+0.607T）xt/2，單位為m。由于DS18820具有體積小、使用方便、精度高等特點，將它作為修正聲速的溫度補償傳感器。超聲波測距模塊采用HC-SR04超聲波模塊，該模塊可提供2cm～400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達3mm，對于一般的車輛倒車與交通擁堵時車距的測量，此精度是滿足需求的。單片機為Trig引腳提供10μs以上的脈沖觸發信號，超聲波傳感器內部將發出8個40KHz周期電平，同時自動檢測回波，一旦檢測到有回波信號則輸出Echo信號，Echo信號脈沖寬度與所測距離成正比。利用單片機定時器計得發射信號到回波信號的時間，可計算出距離s值。為了防止超聲波傳感器自身的發射信號和回響信號互相影響，測量周期至少60ms以上。測距時，被測物體面積不少于0.5㎡且平面盡量要求平整，這樣測量結果將更精確，這是由于傳感器外形上發射信號端和接收回響信號端距離較近，且測量夾角為15°，這樣對于被測物體面積將有要求，若面積過小，則測量的靈敏度將下降，即需要縮短與被測物間的距離，并且被測物表面若不是平面，比如轉彎處或有一定圓度/角度處，則會影響接收器的接收，可安放多個超聲波傳感器于特定位置，通過算法取其最優值，提高測量準確度。排除冬季車庫的室內外溫度差對聲速的影響，一般情況下在溫度起伏不大的情況，可以考慮略過重復讀溫度值的這一流程，系統可以在此進行進一步的改進，以提高系統測距反應時間。