基于超聲波技術(shù)的精確測距系統(tǒng)的研究

朱玉奇

摘 要：論文詳細(xì)設(shè)計了超聲波測距系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為主程序、溫度檢測子程序、超聲波發(fā)射子程序、中斷檢測渡越時間子程序、發(fā)射脈沖寬度調(diào)節(jié)子程序、LED顯示子程序，由主程序?qū)崿F(xiàn)對各功能模塊的調(diào)度管理。論文最后對系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試。試驗(yàn)表明該系統(tǒng)在100mm～5000mm范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測距，本課題的研究具有一定的理論和實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞：超聲波測距；單片機(jī)；溫度補(bǔ)償

1 引言

世界各國對精確測距技術(shù)的發(fā)展?jié)摿皯?yīng)用前景有著廣泛共識，應(yīng)用于工業(yè)測量、場地監(jiān)視和交通管理等方面，如今在許多民用領(lǐng)域中開始需要近目標(biāo)、無接觸、無損傷的目標(biāo)檢測系統(tǒng)。目前一般測距的技術(shù)有激光測距、紅外測距、微波雷達(dá)測距和超聲波測距等。超聲波測距雖然存在一些缺陷，最大問題就是抗干擾能力較差。但在近距離測距系統(tǒng)中，只要對其溫度和濕度進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，其測距精度將高于微波雷達(dá)測距，達(dá)到精確測距的目的。所以，本文所采用的測距方法為超聲波測距。

美國學(xué)者 David L于1998年實(shí)驗(yàn)研究了測量范圍在1.5m以下的測量系統(tǒng)；國內(nèi)學(xué)者對近距目標(biāo)探測技術(shù)的研究主要集中在W波段的系統(tǒng)設(shè)計，測距精度≤ ±4m。隨著超聲波測距技術(shù)在社會生活中的廣泛應(yīng)用，超聲波作為一種新型的工具在各方面都有很大的發(fā)展空間，未來超聲波測距技術(shù)將朝著更高精度，更大應(yīng)用范圍，更穩(wěn)定方向發(fā)展。

本文正是研究應(yīng)用于精確施用機(jī)械中的超聲波測距系統(tǒng)，研究設(shè)計實(shí)現(xiàn)精確測距系統(tǒng)的硬軟件，并通過實(shí)驗(yàn)分析研究超聲波測距系統(tǒng)的性能和效果，研制自動化傳感裝置。

2 精確測距系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

超聲波測距硬件系統(tǒng)，由系統(tǒng)處理模塊、驅(qū)動模塊、接收模塊、超聲波傳感器四大部分組成。具體包括CPU、電源電路、復(fù)位和晶振電路、溫濕度補(bǔ)償電路、顯示接口等。其中CPU型號為W780E054D——作為整個系統(tǒng)的控制核心，控制超聲波傳感器的收發(fā)，將測得的距離通過LED進(jìn)行顯示。溫度檢測采用DS18B20，濕度檢測采用DHT11。

系統(tǒng)的超聲波發(fā)射電路至關(guān)重要，直接由12V供電，并且提供24Vpp驅(qū)動超聲波發(fā)射器。24Vpp是通過一個二進(jìn)制非門CD4069橋電路實(shí)現(xiàn)的，其電路圖如圖2.1所示。CD4069即6反相器電路，其由六個COS/MOS反相器電路組成。CD4069橋電路中有一個非門用來為驅(qū)動器的一側(cè)提供180度的相移信號，另一側(cè)由相內(nèi)信號驅(qū)動。這種推挽結(jié)構(gòu)使輸出端的電壓提高了一倍，為發(fā)射傳感器提供了24Vpp電壓。兩個非門并聯(lián)連接以便每一側(cè)能夠?yàn)閭鞲衅魈峁┳銐虻尿?qū)動電流。因?yàn)镃D4069工作于12V，而單片機(jī)工作于5V，單片機(jī)和輸出驅(qū)動器之間的邏輯電平是不匹配的，雙極性晶體管Q3就作為這兩種邏輯電平之間的轉(zhuǎn)換器。上拉電阻R83和R84一方面可以提高反相器輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加發(fā)射傳感器的阻尼效果，以縮短自由震蕩的時間。

圖2.1 超聲波發(fā)射電路圖

超聲波發(fā)射器發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)，也影響了測距精度，同時還與信號的發(fā)射能量有關(guān)。減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利。本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際工作條件調(diào)整發(fā)射脈沖的寬度，針對不同的距離，發(fā)射合適能量的脈沖，并且采用自適應(yīng)算法調(diào)節(jié)超聲波發(fā)射脈沖串長度，根據(jù)目前的測距工況，發(fā)射合適的超聲波脈沖串，使脈沖總能量增大，通過上述做法能夠有效減小測量盲區(qū)，提高測量精度，并隨著迭加效果的體現(xiàn)，更好地檢測到回波信號。

2.2 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)采用模塊化思想，主要由兩部分組成，即主程序部分和中斷服務(wù)子程序。主程序在完成系統(tǒng)初始化后，循環(huán)執(zhí)行溫度檢測、濕度檢測、發(fā)射脈沖寬度調(diào)節(jié)、發(fā)射超聲波、計算距離、顯示等功能。

初始化程序包括：硬件初始化、軟件變量初始化、功能模塊寄存器初始化和中斷初始化。中斷程序包括定時器中斷子程序和外部中斷子程序，其中定時器0中斷主要完成鍵盤掃描和LED顯示等功能，外部中斷子程序完成渡越時間的檢測。

在發(fā)射脈沖寬度調(diào)節(jié)子程序時，通過程序延時，在單片機(jī)引腳上輸出40K HZ的方波信號，驅(qū)動系統(tǒng)選擇的超聲波發(fā)射探頭。延時子函數(shù)delaypulse（ ）是用NOP指令編寫的，可以做到精確定時，其延時長短可以通過Keil uVision4的觀察窗口來觀察。

3 系統(tǒng)調(diào)試

為保證測距系統(tǒng)正常工作，不僅需要保證硬件的設(shè)計和焊接沒有問題，還需要對硬件和軟件進(jìn)行調(diào)試。

本系統(tǒng)進(jìn)行測試時，均處于環(huán)境溫度32℃情況下，選擇墻面作為靶標(biāo)，利用鋼制米尺作為距離標(biāo)準(zhǔn)，測量測距儀到目標(biāo)物的實(shí)際距離。

超聲波測距儀置于平整的實(shí)驗(yàn)室地面，正對前方墻面，通過有、無溫度濕度補(bǔ)償兩種方式，利用精度為1mm的鋼制米尺測量下表中實(shí)際距離，分別在距離靶標(biāo)30mm、50 mm、100 mm、200 mm、500 mm、1000 mm、2000 mm、3000 mm、4000 mm、5000 mm進(jìn)行系統(tǒng)測試。

測試結(jié)果：無補(bǔ)償測量值分別為27mm、47mm、97mm、193mm、486mm、974mm、1941mm、2920mm、3910mm、4894mm。有補(bǔ)償測量值分別為28mm、49mm、101mm、199mm、501mm、1002mm、1999mm、3007mm、4025mm、5038mm。

試驗(yàn)結(jié)果分析：一是在無溫濕度補(bǔ)償?shù)那闆r下，系統(tǒng)所測距離均低于實(shí)際距離；在距離靶標(biāo)500mm以上，測量絕對誤差呈上升趨勢、相對誤差在2.00%～3.00%；在距離500mm以下，測量相對誤差偏大。二是在具備溫濕度補(bǔ)償?shù)那闆r下，系統(tǒng)測距的絕對誤差和相對誤差均比無溫濕度補(bǔ)償情況下的測距誤差明顯減小。三是在具備溫濕度補(bǔ)償?shù)那闆r下，測量距離對測量精度仍有一定影響，距離過近時相對誤差較大，但在距離大于100mm時，相對誤差均小于1.00%。四是當(dāng)測量距離在100mm～5000mm時，測距儀重復(fù)測量結(jié)果相對穩(wěn)定，重復(fù)測量結(jié)果之間差距不大，特別當(dāng)測量距離在500mm～3000mm時，重復(fù)測量結(jié)果更加穩(wěn)定準(zhǔn)確。因此，通過上述測試可知，通過溫濕度補(bǔ)償，能夠有效提高測距系統(tǒng)的測量精度，并且在溫濕度補(bǔ)償情況下，距離在100mm～5000mm范圍內(nèi)，相對誤差均小于1.00%。能夠滿足精確施用機(jī)械測距系統(tǒng)的精度要求，特別在500mm～3000mm范圍內(nèi)測量精度更高。