何凡++沈諒平++王浩

摘 要：在分析了超聲波測距原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合測距系統(tǒng)所需考慮的實際問題，設(shè)計出了以單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀。該系統(tǒng)設(shè)計合理、穩(wěn)定性好、測量速度快，易于做到實時控制，并且在測量精度方面增加了溫度補償功能，因而可以達到實用的目的。

關(guān)鍵詞：超聲波；單片機；測距；溫度補償

中圖分類號：TN722 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）02-00-02

0 引 言

超聲波是一種頻率高于20 kHz[1]的特別聲波，優(yōu)點是其能夠擁有良好的方向性，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能。目前國產(chǎn)低功率超聲波探頭一般不能用于探測15 m以外的物體，而美國 AIRMAR 公司生產(chǎn)的 Airducer AR30 超聲波傳感器的作用距離可達30 m[2]，但價格昂貴。潘仲明[3]等對大作用距離超聲波傳感技術(shù)進行研究，研制了諧振頻率為 24.5kHz的新型超聲波傳感器，其作用距離超過了32 m，測量誤差小于2%。然而，超聲波測距系統(tǒng)中，超聲波的速度受溫度的影響較大，從而導致超聲測距的測距精度不高，為了進一步提高測距精度，本文運用了溫度補償?shù)姆椒▉硖岣邷y距精度。

1 超聲波測距系統(tǒng)的原理及設(shè)計

超聲波測距方法主要有三種[4]，即相位檢測法、渡越時間法和聲波幅值檢測法。其中聲波幅值檢測法易受反射波的影響，造成的誤差較大，一般不用于測距。

超聲波測距的相位檢測法是通過檢測系統(tǒng)發(fā)射的超聲波和回波的相位差，以此來判斷被測物體距離的測距方法。假設(shè)超聲波的發(fā)射信號為正弦波：

（1）

發(fā)射信號的初相位角為 φ1，回波信號為：

（2）

式（2）中，D為被測距離，c為聲速。因此發(fā)射信號與回波信號之間的相位差為：

（3）

延遲相位中包含的整周期數(shù)為N，φ'為延遲相位中不足一周的相位值，則：

（4）

雖然相位檢測法的精度高，但檢測距離很短，并且方法相對復(fù)雜。

渡越時間法是檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時間t，這個時間就是渡越時間，然后求出距離D。設(shè)t為往返時間差，則有

D=（c×t）/2 （5）

渡越時間法工作方式簡單，硬件控制和軟件設(shè)計都容易實現(xiàn)。綜合以上分析，本文采用渡越時間法。

根據(jù)式（5）可知，用渡越時間法進行測距時，距離的測量精度主要與測量時間間隔t和超聲波的速度c緊密相關(guān)。然而，超聲波也是一種聲波，其聲速c與空氣溫度有關(guān)，一般來說，溫度每升高1攝氏度，聲速相應(yīng)增加0.6 m/s，表1列出了幾種溫度下的聲速。

根據(jù)表1可知，在測距時，如果溫度的變化不大，則認為聲速c是基本不變的，計算時取c為340 m/s。但當溫度變化較大時，其聲速的變化帶來的誤差不可忽略。如表1中，溫度由0攝氏度到10攝氏度時，聲速的變化為4.6%。為了進一步提高測距精度，需考慮采用溫度補償?shù)姆椒▉砑右孕Ｕ?/p>

圖1所示為基于溫度補償?shù)某暅y距系統(tǒng)。整個超聲波測距系統(tǒng)主要由三大部分組成：（1）MSP430單片機最小系統(tǒng)；（2）超聲波收發(fā)模塊；（3）溫度補償模塊。

測距系統(tǒng)的中央處理單元采用MSP430F149，這是一種新型的16位混合信號處理器，它具有超低功耗、速度快、存儲空間容量大以及片內(nèi)資源豐富等優(yōu)點[5，6]。最重要的是MSP430F149的TA、TB兩個定時器分別有3個和7個CCR模塊[7]，每個模塊都具有匹配/捕獲功能，利用捕獲功能，可以輕松實現(xiàn)對超聲波從發(fā)射到返回所用時間的精確獲取。因此，本文選用MSP430F149單片機作為整個系統(tǒng)的控制核心。

圖1 超聲測距系統(tǒng)

在整個超聲波測距系統(tǒng)中，HC-SR04超聲波收發(fā)模塊、溫度傳感器DS18B20以及LCD1602液晶顯示屏在MSP430 F149單片機的驅(qū)動下正常工作。超聲波收發(fā)模塊每次向被測物體發(fā)射出以8個為一組的40 kHz的超聲波，在接收到超聲波回波信號后，將超聲波往返時間轉(zhuǎn)換成一個脈寬與往返時間相等的脈沖信號返回給單片機[8]。溫度傳感器每隔900 ms進行一次溫度測量，測量結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送給單片機。單片機在接收到超聲波往返時間、溫度傳感器測得的溫度等數(shù)據(jù)后，對這些數(shù)據(jù)進行處理與運算，得到最終的測量距離。

2 系統(tǒng)測距的方法及誤差分析

在本系統(tǒng)中利用MSP430F149中的捕獲模塊測量超聲波傳播時間，利用DS18B20測量環(huán)境溫度對超聲波速進行溫度補償，從而提高測距精度?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可通過式（6）計算：

其中空氣的氣體摩爾量μ=2.9×10-2 kg/mol，氣體常數(shù)R=8.31 J/K·mol，空氣的氣體定壓熱容與定容熱容的比值r=1.4。

（6）

聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。加入溫度補償后的測量距離可表示為：

l=（331.6+0.6T）t/2 （7）

為分析系統(tǒng)的測量誤差，本文通過實際測量進行驗證，共記錄了29組實驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)共分為近距離和遠距離兩組，為了直觀的反應(yīng)出超聲波測距系統(tǒng)的測距性能，分別將實測距離和相對誤差與設(shè)定距離的關(guān)系繪制成了坐標圖，具體的實際測量結(jié)果如圖2所示。

由圖2（a）可知，當設(shè)定距離與實測距離基本一致時，曲線應(yīng)該是一條過原點的傾斜度為45度的直線，但當圖中的第一個數(shù)據(jù)點設(shè)定的距離為0.005 m時，所測得的實際距離為0.045 m，實測值比理論值大。圖2（b）中該點的相對誤差在整個曲線的最高點，因此第一個數(shù)據(jù)點設(shè)定的距離為0.005 m時，誤差較大。當圖2（a）中的第四個數(shù)據(jù)點設(shè)定的距離為0.02m，實測距離為0.019 m，實測值與理論值基本一致。圖2（b）中該點的相對誤差貼近水平軸，誤差較小。從圖2（a）中可以清晰的看出設(shè)定距離為0.02 m～0.10 m時，曲線基本是一條過原點的傾角為45度的直線，圖2（b）中的曲線為一條基本與水平軸重合的直線。

（a） 距離為0～0.1 m的實測值

（b） 距離為0～0.1 m的相對誤差

（c） 距離為0.5～5 m的實測值

（d） 距離為0.5～5 m的相對誤差

圖2 實際測量結(jié)果及相對誤差圖

從圖2（c）中可以看出，圖中的曲線基本是一條過原點的傾斜度為45度的直線，圖2（d）中相對誤差的曲線也基本是一條接近水平軸的直線，直到設(shè)定距離大于4.5 m時，相對誤差的曲線逐漸離開水平軸，并且保持穩(wěn)定趨勢，且誤差較大。

因此，由圖2分析可知，本設(shè)計的有效測量范圍為0.020～4.500 m，實測值與理論值基本一致。但從圖2（d）中可以看出，當設(shè)定距離為0.5 m時，相對誤差較大，實測值與理論值有一定偏差，正常情況下該點屬于有效測量范圍內(nèi)的距離，應(yīng)該誤差很小，造成這種情況的原因可能有兩個：（1）反射物不是很平整引起的偶然誤差；（2）超聲波在往返傳送時其中混有大量噪聲，本系統(tǒng)規(guī)模較小。

3 結(jié) 語

本文所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)通過實物現(xiàn)場測試與誤差分析，表明該測距系統(tǒng)的測距范圍、測距精度等各項指標都滿足預(yù)先設(shè)定的目標。在0.020～4.500 m范圍內(nèi)數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，精度較高，相對誤差最大不超過1%，具有一定的可重復(fù)性?？傮w來說，超聲波測距優(yōu)點是器件更換容易，成本低，有一定的靈活性，應(yīng)用領(lǐng)域很廣。

參考文獻

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