黃 麗

(武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430023）

0 引言

超聲測距系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)、鐵路、勘探以及消費電子系統(tǒng)中不可缺少的技術(shù)，它要求高精度、高穩(wěn)定及可控性好，特別是對精度有著越來越高的要求。本系統(tǒng)通過單片機實現(xiàn)渡越時間測量算法，并在硬件系統(tǒng)上采用高精度的溫度補償機制，結(jié)合軟件編程算法，從而實現(xiàn)了精確的距離測量。且系統(tǒng)采用便攜式設(shè)計，完全可以在現(xiàn)代工業(yè)、勘探以及消費電子系統(tǒng)得到廣泛使用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，由MCU單片機組成的控制及算法系統(tǒng)、整形電路、濾波、放大電路、LCD距離顯示、超聲收發(fā)器以及溫度測量等部分構(gòu)成。

圖1 高精度超聲測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 設(shè)計實現(xiàn)

2.1 渡越時間測量和距離補償算法

渡越時間是指從超聲發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播后，然后反射回到接收器的時間。渡越時間與空氣中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x，即：

式中，L為待測距離，v為超聲波的聲速，t為渡越時間。若用σL=vσΔt+Δtσv來表示測量誤差，σL為測距誤差，v 為聲速，σΔt為時間測量誤差，σv為聲速誤差。則可知提高測量精度的方法有：

（1）由于超聲波在媒質(zhì)中的傳播速度和溫度關(guān)系很大，所以必須要采取溫度補償措施，降低溫度變化對測量精度的影響。采用專用數(shù)字溫度傳感器DS 18B20測溫，然后利用下面公式來計算當(dāng)前聲速，從而得到補償溫度導(dǎo)致的影響：

（2）若要求測距誤差小于0.01m，取聲速v＝340m/s時，忽略聲速誤差，那么測量時間的誤差為：0.00003s。所以必須利用脈沖計數(shù)的方法間接測量渡越時間t，可以把聲波的時間精度提高到所需的準(zhǔn)確度，也就是把超聲波往返時間轉(zhuǎn)化為對計數(shù)脈沖個數(shù)N的測量，所以上式（1）可寫成：

式中，f為計數(shù)脈沖的頻率，v為聲速。

2.2 超聲系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要包括了整形電路、濾波、放大電路、LCD距離顯示、超聲收發(fā)器以及溫度測量等部分的設(shè)計。超聲收發(fā)器部分采用頻率為40kHz左右的電氣方式產(chǎn)生超聲波，由一級運算放大電路將超聲控制脈沖加載到超聲發(fā)射器上，經(jīng)過被測物反射回來的超聲經(jīng)過接收端的差分放大器放大1000倍左右。放大后的信號經(jīng)帶通濾波、整形后輸出一個脈沖信號，此脈沖信號再經(jīng)過反相器送入到單片機停止計數(shù)，然后根據(jù)時間計數(shù)器的計數(shù)值算出初始距離，最后根據(jù)數(shù)字溫度傳感器DS 18B20測出的環(huán)境溫度，對該值進(jìn)行補償?shù)玫阶罱K距離，最終通過LCD顯示出來。

2.3 軟件編程實現(xiàn)

單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計，主要完成對超聲收發(fā)器脈沖的控制及計數(shù)，完成渡越時間算法及溫度測量和距離補償，同時控制一般儀器使用時所必須的顯示系統(tǒng)。從而可以實現(xiàn)測量距離為0-50米，精度為0.01米的高精度程控電流源系統(tǒng)設(shè)計。單片機軟件控制流程圖如圖2所示。

圖2 單片機軟件控制流程圖

3 結(jié)論

本系統(tǒng)采用單片機和渡越時間算法及溫度測量和距離補償，在多種距離和不同環(huán)境溫度下進(jìn)行測試，其穩(wěn)定性良好且精度較高，具有較強的實用價值。部分測試結(jié)果如表1所示。

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