基于單片機的超聲波測距系統的設計

　　1 引言

　　超聲波測距作為一種典型的非接觸測量方法，與激光測距、紅外線測距相比，超聲波對外界光線、色彩和電磁場不敏感，更適于黑暗、電磁干擾強、有毒、灰塵或煙霧的惡劣環境，在識別透明及漫反射性差的物體上也更有優勢。由于聲波在空氣中傳播速度遠遠小于光線和無線電波的傳播速度，對于時間測量精度的要求遠小于激光測距、微波測距等系統，因而超聲波測距系統電路易實現、結構簡單和造價低，且超聲波在傳播過程中不受煙霧、空氣能見度等因素的影響，在各種場合均得到廣泛應用，如倒車防撞雷達、海洋測量、物體識別、工業控制，建筑工程測量和機器人視覺識別。

　　2超聲波測距基本原理

　　超聲波測距的基本工作原理是測量超聲波在空氣中的傳播時間，由超聲波傳播時間和傳播速度來確定距離障礙物的距離，即脈沖--回波方式。該方式的基本電路框圖如圖1所示。由發射傳感器、發射電路、接收傳感器、接收放大電路、回波信號處理電路和單片機控制電路等幾部分組成。

　　發射電路是一個工作頻率為40khz的多諧振蕩器，多諧振蕩器受單片機控制，產生一定數量的發射脈沖，用于驅動超聲波發射傳感器，并激勵出超聲波在空氣中傳播，遇障礙物反射而返回。超聲波接收傳感器通過壓電轉換的原理，將由障礙物返回的回波信號轉換成電信號，由于該信號幅度較小(幾到十幾毫伏)，因此須由低噪聲放大、40khz帶通濾波電路將回波信號放大到一定幅度，且干擾成分較少，并由回波波號處理電路轉換成方波信號，送至單片機系統進行時間測量和距離的顯示。

　　超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離(s)，即：s=ct/2。

　　在啟動發射電路的同時啟動單片機內部的定時器t0，利用定時器的計數功能記錄超聲波發射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在int0端產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。

　　3 超聲波測距的誤差分析

　　3.1 環境溫度對測量精度的影響

　　利用超聲測距要考慮媒質的彈性模量和密度對聲速的影響。在氣體中，壓強、溫度、濕度等因素會引起密度的變化，氣體中聲速主要受密度影響，超聲波在固體中傳播速度最快，氣體中傳播速度最慢。氣體中聲速受溫度影響最大，超聲波在空氣中傳播速度為

　　式中t為絕對溫度，c0=331.4m/s。

　　由于聲速與溫度有關，為了提高測量精度，設置了溫度檢測電路，根據實際測量的溫度值利用公式計算超聲波速度，對最終測量結果進行校正。

　　3.2 回波前沿檢測誤差對測量精度的影響

　　超聲波從超聲傳感器發出，在空氣中傳播，遇到被測物反射后，再傳回超聲傳感器。整個過程，由于吸收衰減和擴散損失，聲強隨目標距離增大而衰減;同時衰減系數還與超聲波的頻率有關。因此超聲波測距在實際應用的局限性，影響了超聲波測距的精度。一是超聲波在空氣中衰減極大，由于測量距離的不同，造成回波信號的起伏，使回波到達時間的測量產生較大的誤差。二是超聲波脈沖在發射、空氣中傳播和接收過程中，其回波信號被展寬，影響了測距的分辨率，尤其是對近距離的測量造成較大的影響。由于超聲波收、發傳感器均由壓電陶瓷構成，壓電陶瓷片在壓電的雙向轉換過程中，均存在慣性、滯后等現象，導致回波信號被展寬。這些因素造成了回波正確到達時間的不確定性，對測量精度造成較大的影響。正確檢測回波到達時間，能使超聲波測距精度獲得提高。

　　4系統組成結構

　　4.1 硬件結構

　　主要包括at89c51單片機、超聲波發射電路、超聲波接收電路、顯示電路、測溫電路等。

　　采用數字溫度計ds18b20來采集溫度信號，ds18b20是美國dalas公司推出的單線串行數字溫度計，可直接與單片機連接，測量范圍從-55℃～125℃，-10℃～85℃時測量精度為0.5℃。

　　超聲波發射及驅動電路由功率放大電路和超聲波發射傳感器組成，其原理電路如圖2所示。放大器輸人端獲得一個來自單片機送來工作頻率為40khz的脈沖信號。通過功率放大電路放大到足夠大的能量(增加超聲波的傳播距離)，該能量加給超聲波發射傳感器，驅動超聲波發射頭，并發射出40khz脈沖波，通過空間向外傳播出去。

　　超聲波接收電路由高速運算放大電路和超聲波接收傳感器組成，其原理電路如圖3所示。超聲波在空氣中傳播時，其能量衰減程度與傳播距離成正比，所以超聲波傳感器接收信號一般在1mv-iv之間。接收電路采用由lm318高速運算放大器組成兩級信號放大電路對其進行放大，以滿足增益帶寬和轉換速率的要求。當超聲波接收傳感器接收到返回的超聲波信號，接收傳感器將超聲波脈沖變為交變電信號，經放大器放大后進行處理。

　　測距電路的輸入端接單片機p1.0端口，單片機執行程序時，在p1.0端口輸出一個40khz的脈沖信號，通過超聲波發射電路發射出去，同時啟動單片機內部的定時器t0，定時器開始計數。當反射物將超聲波反射回來，超聲波接收電路接受處理，輸出端產生一個負跳變，在into端產生一個中斷請求信號，定時器停止計數。單片機響應外部中斷請求，執行外部中斷子程序，讀取超聲波從發射到接收的時間差，最后經過換算得出超聲波傳感器與反射物之間的距離。

　　4.2 系統軟件

　　系統軟件包括主程序、溫度采集子程序、發射子程序、計算子程序、數碼顯示子程序、外部中斷子程序和定時器中斷子程序。主程序完成初始化后調用發射子程序，由p1.0口發射脈沖，驅動超聲波傳感器發射超聲波，并關外部中斷，計數器t0開始計時;為防止虛假回波的干擾，在延時一段時間后，開中斷。當有外部中斷信號時，單片機就停止t0的計時，計算出渡越時間t并存儲到e2prom中;然后調用測溫子程序，采集超聲波測距時的環境溫度，并換算出準確的聲速c，存儲到e2prom;單片機再調用計算子程序，計算出傳感器到目標物體之間的距離，最后把測量結果存儲并通過數碼管電路顯示出來，完成一次測量。

　　設計中，超聲波發射極和接收極距離較近，當發射極發射超聲波后，有部分超聲波沒經過障礙物反射就直接繞射到接收極上，這部分信號是無用的，會引起系統誤測。設計中采用延時技術來解決這個問題，并設定延時時間為1ms，即在發射極發射超聲波1ms內，通過軟件關閉所有中斷，接收電路對此期間接收到的任何信號不予理睬，1ms后立即啟動t0，這時接收到的信號才有效，并在接收到回波信號的同時，t0停。此時t0所記錄的cpu發送脈沖信號的前沿到回波脈沖信號之間的時間才是需要的。因此系統存在測量盲區。主程序流程圖如圖4所示。

　　本文所設計的超聲波測距系統，其結構簡單、體積小、抗干擾性能好，若要滿足更高的精度要求，還須進行適當改進。在某些特殊場合的應用中，還要考慮超聲波的人射角、反射角以及超聲波傳播介質的密度、表面光滑度等因素。本系統不僅適用于距離的測量，還適用于水文液位測量和汽車間間距的測量，應用范圍較廣。