基于单片机的超声波测距系统设计及实现 - 全文

超声波频率较高而波长短，因而具有束射特性，可沿直线传播、方向性好、绕射小、穿透力强、传播速度慢，而且遇到杂质或分界面时会产生反射波。正由于超声波具有以上特点，所以在测量领域，他的应用范围越来越广泛。

　　1 超声波测距原理

　　超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

　　Pellarn和Galt于1946年提出了脉冲回波法，其工作原理是：用超声脉冲激励超声探头向外辐射超声波，同时接收从被测物体反射回来的超声波（简称回波），通过检测或估计从发射超声波至接收回波所经历的射程时间ToF（Time of Flight），按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离d,即：

 

　　其中c为声波在空气介质中的传播速度。

　　2 系统构成

　　本系统硬件电路由单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、测温电路、显示电路、报警电路等构成，如图1所示。

 

　　3 系统程序设计

　　3.1 主程序

　　主程序首先对系统环境初始化，设置定时器TO工作模式为16位定时/计数器模式，总中断允许位置1并给显示端口清0;然后调用超声波发生子程序送出若干个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起直射渡触发，从发射开始一直到"虚假反射波"结束这段时间内，不开放外部中断（INTO）申请，便可有效躲避干扰，但同时也会造成测试"盲区".假设延时约0.1 ms后，才打开外部中断接收返回的超声波信号，当温度为20℃，测量盲区为d=1×10-2×344=1.72 cm.

　　3.2 超声波发生子程序和接收子程序

　　超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送超声波换能器所需的40kHz的方波信号（脉冲宽度为12μs左右），同时把计数器TO打开进行计时。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行准确，所以采用汇编语言编程。

　　超声波接收子程序利用外部中断O检测返回超声波，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入中断服务子程序，关闭定时器TO停止计时，并将测距成功标志位赋值1.如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则说明障碍物过远，超出量程，将关闭外部中断，并标志此次测距不成功。

　　最大测试距离将取决于：两次脉冲群发送之间的最小时间间隔和脉冲的能量。一般来说，发射端脉冲个数越多，能量越大，所能测量的距离也越远。但也不是无限制的，本方案是读取定时器TO的计数值，最大能测试的距离是TO尚未溢出时检测到超声波回波信号，故在温度20℃下，最大测试距离为。在一些周期性发射超声波设备中，如果要测试的最大距离是10 m,则两次脉冲群之间的最小时间为。

　　由于采用12 MHz的晶振，机器周期为1μs,当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器TO中的数值按式（1）计算，即可测得被测物与测距仪之间的距离，取20℃时的声速为344 m/s.则有：

 

　　其中，T为计数器TO的计数值。

　　4 提高测量精度

　　4.1 温度补偿

　　由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，可认为声速基本不变。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

 

　　可知，超声波在空气中的传播速度与温度T（单位：摄氏度）有如下近似关系：

 

　　其中，C0为0℃时的声波速度为331.45 m/s,T为实际温度（℃）。在常温下，温度每变化1摄氏度，超声波速度变化约为O.6 m/s,所以通过测温电路测量出当前温度，就可以计算出超声波在当前温度下的传输速度。

　　测温电路采用的主要元器件是美国Dallas半导体公司生产的单总线数字温度传感器DSl8B20,其具有精度高、智能化、体积小、线路简单等特点。

　　4.2 角度补偿

　　由于发射与反射之间存在一定的夹角2α，当α很小时，可直接按式（1）计算距离；当α较大时，则必须进行距离修正，其修正公式为：

 

　　在式（3）中，夹角α与超声波发射装置和接收装置的安装位置有关，在实际应用中应保持两换能器中心轴线尽量平行并相距2 cm~4 cm,在近距离测量时更要考虑角度补偿。若能够将超声接收电路屏蔽起来，则可提高抗干扰性能。根据测量范围可适当调整与接收换能器并接的滤波电容的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。

　　5 结论

　　为防止在测量过程中测距仪的抖动而引起的测量误差，一般情况下应测量几次取其平均值。由于系统的分辨率为1μs,系统引起的固定误差约为0.3mm,再加上本设计只考虑了温度补偿和角度补偿的影响，而没有考虑其他环境因素（如：气压、湿度……）的影响，所以在测量的时侯给测量结果带来了一定的误差。