顧國榮 鮑駿成 李海樂

［摘 要］ 超聲波技術(shù)是一項應(yīng)用十分廣泛的實用的非接觸式技術(shù)。它具有傳播距離遠(yuǎn)、聚向性能好、能源在傳播過程中消耗緩慢等優(yōu)點，而超聲波測距更是借助了超聲波的上述優(yōu)點外還有如原理簡單易懂、相關(guān)配件價格實惠等優(yōu)勢而被大量推崇。文章首先介紹超聲波測距的測距原理和系統(tǒng)構(gòu)架，然后分別對制作超聲波測距的硬件電路和軟件編程思路進(jìn)行闡述，最后介紹調(diào)試超聲波測距儀中的一些測試結(jié)果。

［關(guān)鍵詞］ 單片機(jī)；超聲波；測距系統(tǒng)

［基金項目］ 上海市工程技術(shù)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項目（A-0800-10-122）

［作者簡介］ 顧國榮，上海工程技術(shù)大學(xué)大四學(xué)生，上海，201620；鮑駿成，上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海，201620；李海樂，上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海，201620

［中圖分類號］ TP274.53 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1007-7723（2012）02-0042-0004

眾所周知，城市軌道交通的檢修為了不打擾正常的運營通常放在半夜進(jìn)行，而在此過程中如要進(jìn)行一些非接觸式的檢測項目時，往往由于現(xiàn)場的光線昏暗或是檢測條件有限，通常是由檢修的老員工通過自己多年的經(jīng)驗來主觀判斷是否存在誤差。這樣憑自己的主觀工作經(jīng)驗而下的判斷無疑是給列車的安全出行埋下了安全隱患。超聲波測距技術(shù)正是一項非接觸式的測距技術(shù)，它具有傳播距離遠(yuǎn)、能量消耗少、聚向性能佳等優(yōu)勢，特別適用于傳播媒介是空氣的應(yīng)用環(huán)境之中。由于在空氣中波速較慢，因此容易檢測出反射信號的信息，具有很強(qiáng)的分辨能力。同時，它能做到實時控制和檢測可靠優(yōu)勢而使其具有很高的工業(yè)實用價值，因此它被廣泛地應(yīng)用，而且價格相對低廉，不會給企業(yè)和個人使用增加太多的成本負(fù)擔(dān)。

一、超聲波測距的工作原理

目前超聲波的測距原理主要有三種方式：分別是渡越時間檢測法、相位檢測法和聲波幅值檢測法[1] 。相位檢測法雖然通過相位之間的角度計算能夠得出比較高的精確度[2]，但是計算方式比較復(fù)雜，而且相關(guān)的硬件設(shè)備價格較貴；而采用聲波幅值檢測方法的話，主要的瓶頸在于它容易受到反射波的干擾，而造成靈敏性和精確度不高[3]。綜合比較下來，渡越時間檢測法的檢測原理簡單易懂同時反射波也不會對其造成干擾而使其靈敏度和精確度下降，最終筆者選擇的超聲波測距原理是渡越時間檢測法。

渡越時間檢測法的原理就是：檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間，即渡越時間[4]。而用在傳媒介質(zhì)為空氣中聲波的速度乘以該渡越時間就可以得出我聲波總的傳播距離。由于該距離是發(fā)射到發(fā)射面后再有接收端口接收到的，因此實際的距離則是之前聲波乘以渡越時間的一半。而對于時間的計算則是通過51單片機(jī)的內(nèi)部定時器來實現(xiàn)。

測距的具體過程如下：通過超聲波發(fā)射裝置向某一方向或是某一反射面發(fā)射超聲波，同時激發(fā)單片機(jī)內(nèi)部的定時器開始計時。在超聲波發(fā)射后遇到障礙物則被反射回來，之后被超聲波的接收端所接收到；與此同時，單片機(jī)的內(nèi)部定時器停止計時。那么在單片機(jī)的內(nèi)部定時器中的這段時間就是渡越時間，之后將這段時間送給單片機(jī)進(jìn)行讀取并計算，最后單片機(jī)將最終的結(jié)果顯示到數(shù)碼管上。

二、超聲波測距系統(tǒng)的組成

整個測距系統(tǒng)的話主要是由C51單片機(jī)作為核心的控制系統(tǒng)以及發(fā)射模塊、接收模塊、報警模塊、顯示模塊、電源模塊等組成。具體如圖1所示：

在這其中單片機(jī)作為主要的核心，它的主要的功能將會是為發(fā)射端口提供40KHZ的高頻方波信號，經(jīng)過換能器和驅(qū)動電路后將超聲波發(fā)射出去。

而接收電路接收到反射波后，向單片機(jī)發(fā)送一個低電平的信號。單片機(jī)接收來自接收模塊的低電平信號后停止計時并讀取出內(nèi)部定時器的數(shù)值，同時進(jìn)行相應(yīng)的計算，對最后的結(jié)果進(jìn)行處理后使其能顯示在3位的共陽數(shù)碼管上。而如果當(dāng)測距的距離超出最大的測距范圍時，單片機(jī)也能及時觸發(fā)相應(yīng)的報警模塊進(jìn)行蜂鳴報警。

其他例如顯示模塊、報警模塊、發(fā)射模塊等將在測距硬件部分中介紹。

三、超聲波測距系統(tǒng)的硬件模塊組成

（一）發(fā)射電路模塊

發(fā)射電路主要是由超聲波發(fā)送頭、超聲波脈沖變壓器、電阻、三極管組成。其中脈沖變壓器的主要功能就是對超聲波發(fā)送頭處的電壓進(jìn)行升壓處理。這樣處理的好處就是能夠有效地提高發(fā)送的功率，使得我的超聲波發(fā)射的距離能夠大大地提高。

發(fā)送的過程就是我單片機(jī)通過編程使其產(chǎn)生了40KHZ的高頻信號，然后該信號通過變壓器后加載到了發(fā)送頭上，從而驅(qū)動了超聲波的發(fā)送頭發(fā)送出高頻超聲波。

（二）接收電路模塊

接收電路主要是由放大電路、檢波電路、比較整型電路所構(gòu)成。放大電路主要是由兩組三極管所構(gòu)成，而其他2個電路則是由三極管、電容和檢波二極管所組成。

通常情況下從發(fā)射段發(fā)射出去的超聲波經(jīng)反射回來后會有一定程度的衰減。所以接收電路首先要做的就是對接收到的信號進(jìn)行放大處理。通過兩組的三級管構(gòu)成的放大電路進(jìn)行放大，每組放大倍數(shù)定為70倍。之后通過由IN4148構(gòu)成的檢波電路和電容組成的整型電路后，輸出的直流信號能被單片機(jī)有效地讀取到。采用這種電路設(shè)計方法可以使得接收性能穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)簡單。

（三）顯示電路

顯示電路主要是由3位共陽級的數(shù)碼管為主體所構(gòu)成的。由于筆者所采用的是動態(tài)掃描的讀取方式，因此還加上了S9012三極管來驅(qū)動數(shù)碼管的工作。

（四）報警電路

報警電路的主要是由蜂鳴器、電阻、三極管所組成。在其中設(shè)定當(dāng)在進(jìn)行測量中測量的距離值小于預(yù)先設(shè)好的值時，蜂鳴器將會被觸發(fā)，并給予報警信號。一旦高于設(shè)定的值時，將會停止報警。

三、軟件編程設(shè)計與思路

超聲波測距儀的軟件編程主要是可以將軟件執(zhí)行的主要過程分為幾個模塊來思考。將其分為主程序模塊、超聲波輸出模塊、超聲波接收模塊以及顯示模塊。主程序?qū)⒆鳛檎麄€程序的核心，根據(jù)相應(yīng)的需要來調(diào)用其他的相應(yīng)子模塊。同時在程序的執(zhí)行過程中，由于該軟件程序既涉及到有時間要求較高的控制過程（比如對于單片機(jī)內(nèi)部定時器的開關(guān)的觸發(fā)）又涉及到一系列復(fù)雜的計算問題（比如數(shù)值類型的轉(zhuǎn)換和計算等），因此綜合比較分析下來，使用單片機(jī)的C51語言編程比匯編語句更加有效。

（一）主程序模塊

主程序模塊首先進(jìn)行的是整個系統(tǒng)的環(huán)境初始化，對所用的變量恢復(fù)原始設(shè)置。之后便是對定時器開始進(jìn)行一定的配置。其值為0時代表其執(zhí)行計數(shù)功能，而其值為1則代表執(zhí)行定時功能。過了初始化這個步驟后，當(dāng)定時器標(biāo)定位是0時進(jìn)行的就是調(diào)用超聲波輸出模塊，使得40KHZ的方波信號從超聲波發(fā)射頭中發(fā)射出去，同時啟動單片機(jī)的內(nèi)部定時器，開始計時。

隨后緊接著一步就是進(jìn)行判斷，判斷測距的距離是否在標(biāo)定的范圍內(nèi)，如果不在則調(diào)用相應(yīng)的報警功能。如果在相應(yīng)的標(biāo)定距離則進(jìn)入while循環(huán)語句中，調(diào)用顯示模塊，用來不間斷顯示測距的結(jié)果值。流程圖如圖2所示：

（二）超聲波輸出及接收子程序設(shè)計思路

該子程序模塊的調(diào)用條件即是當(dāng)之前單片機(jī)內(nèi)部定時器的標(biāo)定位為1時被觸發(fā)。此時程序執(zhí)行的就是由單片機(jī)發(fā)送4個一定頻率的超聲脈沖加載到超聲波發(fā)送頭上，之后立即激發(fā)定時器開始計時。

之后將要執(zhí)行一個延時子程序。這個延時子程序的作用就是防止當(dāng)我的超聲波從發(fā)射頭中發(fā)射出去時直接就被我的接收部分的接收頭收到。這種由引起的直射波觸發(fā)如果不進(jìn)行延時處理，將會對整個測距的準(zhǔn)確性帶來嚴(yán)重的誤差。同樣也正是因為這個原因，造成測距會有一個最小測距距離，也就是俗稱的盲區(qū)值[5]。

之后就進(jìn)入到接收子程序中。接收子程序主要就是進(jìn)行一個判斷，這次的判斷主要針對接收端是否接收到了回波的信號。如果收到了回波信號則單片機(jī)內(nèi)部定時器及時停止計時。下一步開始根據(jù)時間計算出相應(yīng)的測量值。而如果接收端沒有收到回波則，檢查延時時間是否已到，如果已經(jīng)到達(dá)了延時時間則停止計時；如果沒有到，則繼續(xù)檢測接收端是否收到回波。具體如圖3所示。

（三）顯示子程序的設(shè)計思路

顯示子程序的主要思路就是在顯示之前先加段位轉(zhuǎn)換的小程序。根據(jù)之前測距距離的判斷結(jié)果調(diào)用之前存在靜態(tài)存儲區(qū)內(nèi)的段位組合情況。之后再使用動態(tài)掃描的方法將其顯示出來。由于這部分知識包括動態(tài)掃描等方法都是單片機(jī)技術(shù)中一些比較常見和通用方法。在此也就不加詳細(xì)闡述了。

四、結(jié) 語

在完成了硬件的焊接和軟件編程后，為了驗證這個測距系統(tǒng)的精確性能指標(biāo)，筆者在學(xué)院實驗室內(nèi)進(jìn)行了實際的測試，發(fā)現(xiàn)在范圍50～500cm之間都能準(zhǔn)確測量，最大誤差在1cm之間。整個系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的測距設(shè)備相比具有性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、價格便宜等優(yōu)點。而誤差的原因經(jīng)分析主要是由于反射面的不平整及自身的延時所致?？筛鶕?jù)實際的情況對脈沖寬度、頻率等參數(shù)作相應(yīng)的調(diào)整即可。

［參考文獻(xiàn)］

［1］王紅云 基于超聲波測距的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計［J］.國外電子元器件,2008,(8).

［2］王革思,李柏松,丁堅.相位差法超聲波流量計的研制［J］.信息技術(shù),2008,(12).

［3］彭建盛,梁光艷,郭留濤.基于無線單片機(jī)CC2510的多點超聲波測距系統(tǒng) 河池學(xué)院學(xué)報［J］. 2009,4(2).

［4］卜英勇,何永強(qiáng),趙海鳴,等.一種高精度超聲波測距儀測量精度的研究［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報,2006,(1).

［5］劉成安,孫濤.智能超聲波測距儀的研制［J］.單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用,2007,(6).