蒲忱 秦川

摘要：本文詳細(xì)介紹了超聲波測(cè)距的原理，并選取了高精度的超聲波模塊。詳細(xì)介紹了該超聲波模塊的原理、使用方法以及特性。結(jié)合T89C2051，基于所選取的超聲波模塊設(shè)計(jì)出便攜式超聲波測(cè)距儀。同時(shí)考慮到測(cè)試環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量精度的影響，加入了溫度采集系統(tǒng)，很大程度上提高了超聲波測(cè)距儀的精度。

關(guān)鍵詞：超聲波；距離測(cè)量；HC-SR04；溫度補(bǔ)償The realization of the portable ultrasonic range finder

Pu ChenYu Dongmiao

Abstract:This paper introduces in detail the principle of ultrasonic ranging, and select the high precision ultrasonic module. Introduces in detail the principle of the ultrasonic module, using methods and features. Combining T89C2051, based on the selected ultrasonic module design of the portable ultrasonic range finder. At the same time considering the test environment's influence on the accuracy of measurement temperature, joined the temperature acquisition system, to a great extent improve the precision of the ultrasonic range finder.

Key words:ultrasonic wave；Distance measurement；HC-SR04；Temperature compensation在工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，距離測(cè)量一直占據(jù)著很重要的地位。尤其是考慮到傳統(tǒng)的測(cè)量方法在測(cè)量精度、測(cè)量效率方面的劣勢(shì)，原有的直接測(cè)量方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)當(dāng)代人們的需求。在電站的建設(shè)、以及建成后運(yùn)行維護(hù)的過程中經(jīng)常會(huì)對(duì)深井、管道、液位等長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，傳統(tǒng)的測(cè)距方式也不能完成測(cè)距任務(wù)。因此，傳統(tǒng)的測(cè)量方法將逐步被非接觸式測(cè)量方式取代[1]。

非接觸式距離測(cè)量的方法有很多種，如雷達(dá)、激光、射線、超聲波等[2]。其中，超聲波技術(shù)以其不受光、電磁波及粉塵等干擾的特性，常常受到便攜式測(cè)距儀設(shè)計(jì)者的青睞。同時(shí)，基于超聲波技術(shù)的便攜式測(cè)距儀擁有成本低、功耗小、精度高等特點(diǎn)，因此超聲波便攜式測(cè)距儀一直在市場(chǎng)上受到使用者的好評(píng)。

1超聲波測(cè)距簡(jiǎn)介

1.1 測(cè)距原理

要了解超聲波測(cè)距的原理，就必須對(duì)超聲波的特性進(jìn)行一定了解。所謂超聲波，即頻率高于20Khz的聲波。超聲波具有穿透性強(qiáng)，方向性好，易于獲得較為集中的聲能等特性。

超聲波測(cè)距的原理如圖1所示。首先，通過超聲波發(fā)射裝置將超聲波脈沖發(fā)射出來，超聲波遇到障礙物（也就是被測(cè)物）后被反射回來，超聲波接收裝置對(duì)反射回來的超聲波脈沖進(jìn)行探測(cè)。若能夠測(cè)量出發(fā)射出超聲波脈沖和接收到超聲波脈沖的時(shí)間差為t，利用公式（1）便可以測(cè)算出超聲波傳感器和障礙物之間的傳播距離s。

繼而可以通過公式（2）計(jì)算出實(shí)際測(cè)量距離d。

由公式（2）可知，當(dāng)s>>h時(shí)，則存在d≈s。

1.2 溫度補(bǔ)償

在常溫下，空氣可以被近似看為理想的氣體。由公式（3）[3]可以算出超聲波在空氣中的傳播速度v。

式中：r為氣體的比熱比；μ為氣體的摩爾質(zhì)量；R為氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。

由式（3）可知超聲波的聲速與熱力學(xué)溫度的平方根成正比。因此，溫度越高聲速就越大。當(dāng)溫度為0℃的時(shí)候，空氣中聲速的實(shí)測(cè)值為331.45m/s，因此在空氣中聲速的表達(dá)式為：

式中，t為空氣溫度（℃），T0=273.16℃。由公式（4）可得，當(dāng)溫度為25℃時(shí)，聲速V=346.285m/s。

由此可知，當(dāng)溫度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，如0℃-25℃變化，聲速也會(huì)隨之發(fā)生較大的變化，由公式（1）和（2）可知，聲速變化會(huì)直接導(dǎo)致最終的測(cè)量結(jié)果變化。因此在設(shè)計(jì)基于超聲波的便攜式測(cè)距儀時(shí)，需要充分考慮到溫度的影響。

1.3 測(cè)距系統(tǒng)組成

測(cè)距系統(tǒng)由五大部分組成，即顯示及按鍵部分，控制部分，溫度檢測(cè)部分，超聲波模塊以及電源部分，如圖2所示。

由電子顯示屏對(duì)檢測(cè)的距離數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，同時(shí)由按鍵部分控制測(cè)量開始。由于存在溫度的干擾，因此需要一個(gè)獨(dú)立的溫度精確檢測(cè)部分。由核心控制部分對(duì)超聲波模塊的信號(hào)進(jìn)行接收處理，同時(shí)結(jié)合溫度檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行距離測(cè)算，然后將測(cè)得的距離數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示部分進(jìn)行顯示。電源部分針對(duì)不同部分的電源需求對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行供電。

2超聲波模塊介紹

2.1 超聲波模塊選取和簡(jiǎn)介

現(xiàn)如今，市面上有很多超聲波模塊供設(shè)計(jì)人員選擇，因此，在設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀時(shí)不需要自行設(shè)計(jì)超聲波收發(fā)電路。國(guó)外的超聲波模塊主要有SRF02和SRF05兩種。這兩款模塊的探測(cè)區(qū)間都為15cm-600cm，通信方式可選用I2C或串口。由于這兩種超聲波模塊的價(jià)格十分昂貴，因此國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了一種該系列產(chǎn)品的替代品—HC-SR04，其外觀圖如圖3所示。

HC-SR04系列的超聲波模塊具有價(jià)格便宜，功耗低，接口簡(jiǎn)單等特性，其主要電氣特性參數(shù)如表1所示。

2.2 HC-SR04工作原理

HC-SR04提供四個(gè)插腳和外圍設(shè)備進(jìn)行通信，這四個(gè)插腳的示意圖如圖4所示。

由此可知HC-SR04的各管腳功能如下：

⑴1和4管腳為模塊的電源管腳；

⑵2管腳為觸發(fā)引腳；

⑶3管腳為信號(hào)接收引腳。

由HC-SR04的使用手冊(cè)可知，HC-SR04模塊的工作原理為如下幾個(gè)步驟：

⑴采用IO觸發(fā)測(cè)距，IO發(fā)出至少持續(xù)10us的高電平信號(hào)；

⑵模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40Khz的方波，然后自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；

⑶有信號(hào)返回，通過模塊3管腳輸出一個(gè)高電平。該高電平的持續(xù)時(shí)間則為超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。

該超聲波模塊的整個(gè)工作過程如圖5所示。

3硬件電路設(shè)計(jì)

綜合考慮到便攜式超聲波測(cè)距儀的具體使用情況和成本控制，決定使用AT89C51作為本設(shè)計(jì)的主控芯片。

3.1 超聲波模塊電路

結(jié)合超聲波模塊的管腳設(shè)定，所設(shè)計(jì)的超聲波模塊電路如圖6所示。

如圖6所示，將HC-SR04的觸發(fā)管腳和單片機(jī)的28管腳相接，因此單片機(jī)可以通過該管腳發(fā)出一個(gè)持續(xù)時(shí)間大于10us的高電平來觸發(fā)HC-SR04，驅(qū)動(dòng)其工作。同時(shí)，將HC-SR04信號(hào)輸出管腳3和單片機(jī)的T0管腳相接，以此讀取回響電平持續(xù)時(shí)間。從而使HC-SR04模塊能夠正常工作。

3.2顯示電路

考慮到超聲波距離測(cè)量?jī)x的便攜性，因此采用時(shí)下較為常用的顯示模塊—LCD1602來顯示測(cè)距儀的測(cè)量結(jié)果。該顯示屏具有結(jié)構(gòu)緊湊、低功耗、高可靠性以及長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。

AT89C51驅(qū)動(dòng)LCD1602的電路圖如圖7所示。由圖7可知，LCD1602的接口電路較為簡(jiǎn)單，同時(shí)可以通過一個(gè)電位器對(duì)屏幕亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此可以使該測(cè)距儀更具有實(shí)用性。

3.3 溫度測(cè)量電路

由1.2節(jié)可知，測(cè)試環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果有著較大的影響，因此檢測(cè)系統(tǒng)需要一個(gè)溫度檢測(cè)部分對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行校正。

在此選擇DS18B20作為溫度測(cè)量的核心傳感器。DS18B20具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度較高、價(jià)格低廉以及功耗較低等特性[4]。DS18B20可以直接將所測(cè)得的溫度信號(hào)輸入單片機(jī)。該芯片所能夠測(cè)量的范圍為-55℃~125℃，能夠滿足絕大多數(shù)的測(cè)量溫度要求。由DS18B20組成的測(cè)溫電路如圖8所示。

3.4 開關(guān)電路

檢測(cè)系統(tǒng)中需要一個(gè)開關(guān)來控制檢測(cè)的開始。開關(guān)電路如圖9所示，單片機(jī)的P1.7管腳常為高電平，當(dāng)開關(guān)按下，該管腳變?yōu)榈碗娖?，因此測(cè)量開始。

4程序設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，程序設(shè)計(jì)主要采用模塊化的設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)、按鍵掃描子程序設(shè)計(jì)、測(cè)溫子程序、距離測(cè)算子程序、顯示子程序以及延時(shí)子程序等。

主程序流程圖如圖10所示。由于篇幅的限制，在此就不對(duì)各子程序做一一介紹。

6總結(jié)

本文針對(duì)現(xiàn)有的距離測(cè)量方案的不足提出來便攜式超聲波測(cè)距儀的方案，充分考慮到便攜式測(cè)距儀的使用場(chǎng)合和特性，具有較高的參考價(jià)值。

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