測距系統的開發與調試

李義　倪時　王效波　張朱慶　張寶　朱玉奇

摘要：本文詳細介紹了對已開發出的測距系統進行軟硬件試驗調試。試驗表明該系統在100mm～5000mm范圍內能夠實現準確測距，本課題的研究具有一定的實用價值。

關鍵詞：測距；調試；精確

1引言

本課題來源于“江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃項目”，最終研發出的測距系統采用超聲波技術。超聲波精確測距系統主要功能包括：

（1）超聲波的發射、接收，并根據計時時間計算測量距離；

（2）檢測空氣溫度、濕度用于距離計算的補償；

（3）LED顯示器顯示距離、溫度、濕度；

（4）鍵盤接收用戶命令并處理；

（5）當系統運行不正常時，用電平式開關與上電復位電路復位。

本文所研制出的自動化傳感裝置，通過實驗分析超聲波測距系統的性能和效果。

2精確測距系統

超聲波測距結構，如圖2.1所示，由系統處理模塊、驅動模塊、接收模塊、超聲波傳感器四大部分組成。

（1）系統處理模塊

系統處理模塊包括單片機最小系統、電源電路、溫度補償電路、濕度補償電路、鍵盤接口電路（人機接口電路）、LED接口電路、LCD接口電路、串行通信接口電路。

單片機最小系統負責控制、運算等功能，是整個測距系統的大腦。電源電路是系統心臟，為其他模塊提供穩定電源。溫度和濕度補償電路分別為超聲波測距系統提供溫度和濕度的補償，從而獲得精確的測量結果。鍵盤接口電路增加了人機接口的功能，負責控制系統與操作者之間的溝通，包括從操作者獲取指令、數據以及將測試結果反饋給操作者等。LED接口電路和LCD接口電路能夠實時顯示測量數據。串行通信接口電路主要方便系統與其他控制設備之間的數據交換，便于系統的擴展。

（2）驅動模塊。驅動模塊，主要包括超聲波發射電路，其負責將單片機輸出的40KHZ信號放大輸出，驅動超聲波發射探頭，將電信號轉化為超聲波信號。

（3）接收模塊。接收模塊，主要包括超聲波接收電路，其負責處理超聲波接收探頭取得的回波，將超聲波信號轉化為電信號，反饋給CPU模塊。系統使用SONY公司的CX20106A集成電路對接收探頭接收到的信號進行放大、濾波。

（4）超聲波傳感器。超聲波傳感器是超聲波測距系統的關鍵部件。本文超聲波測距選用的是壓電式收發分體超聲波傳感器T/R40-16，其特性：T-發射；R-接受；40-中心頻率；16-外殼直徑。

系統設計中，通過軟件實現40K Hz方波的產生，利用單片機的定時/計數器和外部中斷器檢測渡越時間。具體實現過程可以分為以下幾個步驟：（1）準備檢測，用軟件生成40KHZ方波；（2）發射方波串，然后開始計時；（3）判斷是否有回波，如果無就等待，反之則停止計時；（4）讀取計時結果，計算出渡越時間t，根據渡越時間與當前溫度下的波速，一起計算目標物的距離。

3系統調試

開發出的測距系統采用軟硬件相結合的調試方式，進行綜合調試并進行測試試驗，得出部分試驗數據，并分析了測距誤差產生的原因。為保證系統正常工作，不僅需要保證硬件的設計和焊接沒有問題，還需要對硬件和軟件進行調試。為了保證硬件電路與設計原理圖一致，以及電路板焊接沒有出現虛焊、漏焊等問題，必須對系統進行電氣調試。系統電氣調試工具包括VICTOR VC890D數字萬用表、RIGOLDS5102CA示波器、12V*2A鑫威達HX008-1202直流電源等，系統的電氣調試步驟如下：（1）檢查電源系統工作，清潔穩定的電源是系統工作的前提。電源接口安裝在系統的左側，通過電源給系統提供12V的供電電源。（2）用數字萬用表檢測電路板各部分電路，使之無虛焊、漏焊等現象，保證電路導通。（3）測試LED顯示等輔助功能運行良好。首先，將四位數碼管顯示均調整為“0”；然后，根據每位顯示數值查表得到顯示段碼；最后，利用軟件編程，分別給數碼管賦值“0”至“9”，使LED對應顯示相應數字。（4）測試超聲波發射電路。調節超聲波發射電路時，通過頻率計測超聲波發射端的頻率來調節可調電感知，使其諧振頻率精確在40K HZ。（5）測試超聲波接收電路。根據接收信號調整接收電路的電容和電阻，當電阻為210KΩ、電容為47×103pF時，系統能夠接收到較好的波形。當系統接收到回波后，產生低電平脈沖，使單片機的T0計數器停止計數，這樣就測出了超聲波往返所需要的時間，從而可以求出待測距離。用示波器觀察到的發射波可以看出，發射超聲波的同時，來一個負脈沖，以此作為開始計時時刻，等接收到回波信號時，再來一個負脈沖信號，從上圖可以直觀地看到兩外負脈沖間的時間差，這就是測得的超聲波往返所需要的時間。（6）進行測距試驗，匹配補償參數。

4系統試驗與結果分析

選擇墻面為被測物之后，為了增強測距儀的測距準確信，又再次用行道樹作為試驗。測距儀平放在平整的小凳上，針對1株行道樹重復進行測距試驗。在環境溫度32℃時，測距儀平放在小凳上，在有溫度濕度補償的情況下，針對1株行道樹重復進行3次距離測試。利用精度為1mm的鋼制米尺測量下表中實際距離，分別在距離靶標50mm、100mm、500mm、1000 m、2000mm、3000mm、4000 mm、5000 mm進行系統測試，得到測距結果：三次測量的平均測量值為27.67mm、48.33mm、99.00m、498.67mm、999.33mm、1997.00mm、4037.3 3mm、5047.33mm。試驗結果分析：一是測量距離對測量精度影響較大。當測量距離小于100mm時，測量相對誤差較大；當測量距離大于100mm時，測量相對誤差在1.00%之內。二是當測量距離在100mm～5000mm時，測距儀重復測量結果相對穩定，重復測量結果之間差距不大，特別當測量距離在500mm～3000m時，重復測量結果更加穩定準確。因此，通過上述測試可知，通過溫濕度補償，在100mm～5000mm范圍內測距的相對誤差在1.00%以內，能滿足測距系統的精度要求，特別在500mm～3000mm范圍內測量精度更高。

本項目設計并實現了一種基于超聲波技術的精確測距系統。通過查閱相關的國內外文獻資料，充分利用現有的試驗條件，在深入研究超聲波測距理論的基礎上，根據測距所要求的技術指標，提出了超聲波測距系統的整體設計方案，試驗表明，該系統在100mm～5000mm范圍內能實現準確測距，并具有LED實時顯示功能。endprint