周敘國

(貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽550008)

超聲波技術(shù)在船舶測距中的應(yīng)用研究

周敘國

(貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽550008)

摘要:船舶在水中航行，經(jīng)常會涉及到對周圍物體和船只的測量，以便及時發(fā)現(xiàn)危險，避免碰撞事故的發(fā)生。超聲波是自然界中的一種機(jī)械波，超聲波在傳播時，具有傳播方向性強(qiáng)，傳播能量強(qiáng)，而且傳播過程不容易被干擾，傳播能量衰減較小，傳播較遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。因此，可以將超聲波方便地應(yīng)用在船舶測距系統(tǒng)中。本文基于單片機(jī)，對船舶的超聲波測距系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和研究，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對船舶周圍物體距離和方向的測量。

關(guān)鍵詞:超聲波;船舶;測距

Research on application of ultrasonic technology in the ship in the distance

ZHOU Xu-guo
(Guizhou Industry Polytechnic College，Guiyang 550008，China)

Abstract:While the ship sailing in water，it often involves with the distance measurement of the surrounding objects and ships，in order to discover the risk，avoid collision．Ultrasonic is a kind of mechanical wave in nature，ultrasonic has a series of advantages of strong directivity，strong spread energy，the spread energy is not easy to be interfered and damped during the transmission，and can travel long distances．Therefore，ultrasonic can be easily applied in ship distance measurement system．In this paper ultrasonic distance measurement system on the ship is designed and researched based on micro control unit，the system can realize the measurement of the distance and direction of the object around the ship．

Key words:ultrasonic; distance measurement;ship

0　引言

船舶是一種在水域中航行的交通工具，因?yàn)槠漭d重量很大，具有很大的慣性。船舶不同于其他的路上交通工具，船舶不具備很強(qiáng)的靈活性和可控性，所以需要對周邊的船舶和障礙物進(jìn)行提前的測量和預(yù)判，以避免發(fā)現(xiàn)障礙物時為時已晚，不能通過緊急的轉(zhuǎn)向操作有效避開障礙物，避免碰撞事故。

超聲波是存在于自然界中的一種機(jī)械波，一般是指頻率高于20 kHz的機(jī)械波。超聲波在傳播過程中，具有較強(qiáng)指向性和方向性。傳播時可傳播能量比較強(qiáng)，而且在傳播過程中不容易被干擾，傳播過程中的能量衰減較小，因此超聲波可以傳播到很遠(yuǎn)的地方。由于超聲波具有這一系列的優(yōu)點(diǎn)，它比較適合應(yīng)用于遠(yuǎn)距離測量領(lǐng)域，因此超聲波在越來越多的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前市面上的超聲波傳感頭的體積越來越小，價格越來越低，而且防水性能都比較好，因而超聲波相關(guān)的裝置被越來越多的應(yīng)用于船舶距離測量的應(yīng)用中［1］。

1　超聲波測距原理

利用超聲波進(jìn)行距離測量的原理是，利用超聲波的傳播特性，超聲波發(fā)射裝置發(fā)射出超聲波，超聲波往前傳播，直至超聲波碰到障礙物，超聲波原路返回，被超聲波接收裝置接受，超聲波處理系統(tǒng)根據(jù)超聲波來回傳播的時間乘以超聲波傳播的速度，就可以計算出傳聲波的傳播距離，以此計算出障礙物離超聲波裝置的距離［2］。超聲波測量距離的原理圖如圖1所示。

圖1　應(yīng)用超聲波進(jìn)行測量距離的工作原理圖Fig.1　The work principle chart of using ultrasonic in distance measurement

障礙物距離的計算公式如下:

式中: c為超聲波的傳播速度; t為超聲波的傳播時間，即超聲波從發(fā)射出到超聲波被接受所用的時間。為了縮小誤差，超聲波發(fā)射和接收裝置距離要盡可能的靠近放置。

由于超聲波是一種聲波，其傳播速度與聲波一樣，受溫度的影響較大，不同的溫度下超聲波的傳播速度不同，如果在計算時取某個固定值，會帶來一定的計算誤差，影響整個系統(tǒng)的測量精度。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，如果工作環(huán)境的溫度基本恒定沒有太大變化，基本可以認(rèn)為聲速是恒定不變的，在計算時取平均工作環(huán)境溫度對應(yīng)的固定值即可。但在一些環(huán)境溫度變化較大，或是系統(tǒng)對測量精度要求比較高的應(yīng)用場合，往往需要通過另外增加溫度補(bǔ)償部分，對超聲波在不同溫度下的實(shí)際傳播速度進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償和校正，從而得到比較準(zhǔn)確的傳播速度，繼而得到相對準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

2　超聲波測距系統(tǒng)

由于超聲波指向性強(qiáng)，能量在傳播過程中的消耗較小，因此可以傳播較遠(yuǎn)的距離，因而超聲波比較適用于中長距離的測量場合。本文采用單片機(jī)對超聲波距離測量系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計比較方便。單片機(jī)采用12.0 MHz晶振，理論上的測量精度可以達(dá)到毫米級，完全可以達(dá)到船舶距離測量的對精度的要求。

基于單片機(jī)的距離測量系統(tǒng)，按照功能模塊劃分，包括單片機(jī)控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路。另外，為了保障測量的精度，需要另外增加溫度補(bǔ)償電路，為了實(shí)現(xiàn)測量距離的實(shí)時直觀的顯示，需要增加LED顯示電路，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能，需要增加語音播報電路。

船舶超聲波距離測量系統(tǒng)的工作原理示意圖如圖2所示。系統(tǒng)的具體工作過程如下，裝置在船舶上的單片機(jī)芯片發(fā)出固定頻率的脈沖信號，然后經(jīng)過放大器對該脈沖信號進(jìn)行放大，防止其在傳播過程衰弱太多，放大后的信號經(jīng)過發(fā)射裝置向前方發(fā)射。發(fā)射裝置每次發(fā)射固定個數(shù)的脈沖，當(dāng)?shù)?個超聲波脈沖發(fā)射后，等較短時間之后(可以取0.1 ms)計數(shù)器開始計數(shù)，防止剛發(fā)射出去的脈沖被旁邊的接收裝置直接接收，導(dǎo)致誤接收。如果前方?jīng)]有障礙物，發(fā)射出去的超聲波脈沖就會有去無返，不會被接收。當(dāng)前方有障礙物存在時，超聲波信號遇到障礙物時，障礙物會阻擋超聲波的繼續(xù)傳播，使其原路返回，從而被船舶上的超聲波接收裝置接收，在接收到返回的超聲波的瞬間，停止計數(shù)器計數(shù)。然后超聲波接收裝置將接收到的超聲波信號送到放大器，對其

進(jìn)行放大處理，然后送至鎖相環(huán)電路對其進(jìn)行檢波處理，確定接收信號的頻率是否與發(fā)射超聲波的頻率一致。如果判斷頻率一致，則啟動中斷程序，得到傳播時間，同時讀取溫度模塊中傳播速度的補(bǔ)償值，對超聲波傳播速度進(jìn)行補(bǔ)償和校正，然后根據(jù)距離測量的標(biāo)準(zhǔn)公式，計算出障礙物的距離，并將該數(shù)值送LED顯示進(jìn)行實(shí)時顯示，呈現(xiàn)給觀測者。

圖2　船舶超聲波距離測量系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.2 The work principle diagram of distance measurement system of the ship based on ultrasonic

3　硬件電路部分設(shè)計

本節(jié)主要對基于單片機(jī)的船舶超聲波距離測量系統(tǒng)的硬件電路部分進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)硬件電路部分按功能大致可分為單片機(jī)控制電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、溫度補(bǔ)償電路和顯示電路等幾部分。

基于超聲波的船舶測距系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。其中單片機(jī)控制系統(tǒng)，采用經(jīng)典的AT89C51單片機(jī)作為控制核心，并輔以其他周邊的電路共同組成單片機(jī)控制系統(tǒng)。其中超聲波發(fā)射電路是采用74LS04反相器與周邊電路組成而成，以CX20106A為核心的超聲波處理模塊對接收探頭接收到的信號進(jìn)行放大和濾波等處理，LED液晶顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)超聲波測量距離的顯示功能，由于船舶航行條件溫度變化較大，同時對距離測量精度要求較高，因此添加了以DS18B20為核心的溫度補(bǔ)償電路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠，成本不高，功能實(shí)用。

圖3　基于超聲波的船舶測距系統(tǒng)功能框圖Fig.3 The block diagram of distance measurement system of ship based on ultrasonic

3.1單片機(jī)控制部分

本系統(tǒng)選用經(jīng)典的AT89C51型號的單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的核心主控芯片。該芯片典型的特點(diǎn)是可以在較低功耗的情況下實(shí)現(xiàn)較高的處理性能。AT89C51具有很強(qiáng)大的擴(kuò)展性能，自帶4K的FLASH存儲空間和128 bit的RAM，有多達(dá)32個的I/O口。同時擁有2個16位定計數(shù)器，用于計算超聲波傳播的時間。具有1個5向量的兩級中斷結(jié)構(gòu)，可以方便實(shí)現(xiàn)主程序調(diào)用中斷子程序。帶有一個全雙工串行通信口，可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信。片內(nèi)帶有振蕩器及時鐘電路，可以發(fā)射固定頻率的脈沖信號［3］。

3.2超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路，顧名思義，其主要功能是實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射，該部分主要由超聲波換能器和放大器兩部分組成。其中超聲波換能器是一個關(guān)鍵的裝置，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)電、波轉(zhuǎn)換，即將單片機(jī)發(fā)出的電形式的脈沖信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的波形式的超聲波信號，然后將其發(fā)射。本系統(tǒng)采用T40信號的換能器進(jìn)行設(shè)計，電路簡單可靠。放大器部分本系統(tǒng)采用反相器74LS04組成，主要功能是對超聲波發(fā)射換能器發(fā)射出的微弱的超聲波信號進(jìn)行放大，防止其在傳播過程衰減，導(dǎo)致接受不到。

為了增強(qiáng)信號的強(qiáng)度，將單片機(jī)輸出的40 kHz的電方波信號采用推挽形式對發(fā)射信號進(jìn)行增強(qiáng)。即信號分為兩路，一路直接送至超聲波換能器的一個端口，另一路經(jīng)過反向器后送至超聲波換能器的一個端口。或者一路經(jīng)過一級反向器后送至超聲波換能器的一個端口，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個端口，相比這種方式增強(qiáng)效果更好。經(jīng)過這種推換結(jié)構(gòu)，可以提高超聲波信號的發(fā)射強(qiáng)度。

3.3超聲波接收電路

同超聲波發(fā)射電路相對應(yīng)，超聲波接收電路的主要功能是接收碰到障礙物返回的超聲波信號，主要由超聲波接受傳感器、放大電路和鎖相環(huán)電路3個部分組成。其中超聲波接受傳感器的主要功能是將接收超聲波，同時將超聲波波信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，方便之后的處理。放大電路的

主要功能是將返回來的微弱的超聲波信號進(jìn)行放大。鎖相環(huán)電路的主要功能是判斷返回的超聲波的頻率是否與單片機(jī)發(fā)射出的頻率相同，在接收到與發(fā)出信號頻率相同的信號后，向單片機(jī)發(fā)出中斷請求。

本系統(tǒng)中的超聲波接受傳感器部分選用CX20106A集成電路進(jìn)行設(shè)計。CX20106A集成電路不是專門用于超聲波接收的芯片，而是一款用于紅外檢波接收的專用芯片，由于紅外線和超聲波的常用頻率比較接近，本系統(tǒng)將它應(yīng)用于超聲波信號的檢波和接收。CX20106A集成電路的主要功能是對接收到的超聲波信號進(jìn)行放大和濾波。其總放大增益可以達(dá)到80 dB。實(shí)驗(yàn)證明用該集成電路，具有較高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾性［4］。

3.4溫度補(bǔ)償電路

船舶航行條件復(fù)雜，溫度變化較大，超聲波的傳播速度會發(fā)生較大變化。為了實(shí)現(xiàn)較高的測量精度，本系統(tǒng)另外添加了溫度補(bǔ)償電路。采用DS18B20型號的溫度傳感器，測量環(huán)境溫度值。該溫度傳感器的溫度測溫范圍為－55～125℃，可以精確到小數(shù)點(diǎn)后3位數(shù)。DS18B20采用一線制與單片機(jī)相連，將測量的溫度值發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)溫度，套用溫度補(bǔ)償表公式，對超聲波的傳播速度進(jìn)行補(bǔ)償。該溫度補(bǔ)償電路具有低成本、使用方便和分辨率高的特點(diǎn)。適用于各種狹小空間設(shè)備的溫度測量。

3.5 LED顯示電路

為了能夠直觀了解障礙物的距離，本系統(tǒng)增加了顯示屏，可以顯示漢字與數(shù)值，主要功能是測量到的障礙物實(shí)時距離反映在屏幕上，讓船舶工作人員能夠直觀的了解前方障礙物距離信息，掌握船舶當(dāng)前的航行狀態(tài)。

當(dāng)前可以做顯示器的有LED、LCD和CRT等多種。其中CRT就是顯像管式的顯示器，具有視覺效果好，可靠性高，價格低廉的優(yōu)點(diǎn)，但其體積大、耗電較多，對人體有輻射作用。LED就是發(fā)光二極管，其亮度很高，尺寸不受限制，但視覺效果比不上CRT顯示器。

綜合考慮系統(tǒng)的需求，采用LED顯示屏，來對環(huán)境溫度、測量距離等信息的顯示。

4　軟件設(shè)計

一個完整系統(tǒng)除了要擁有完善的硬件，還需要功能強(qiáng)大的軟件進(jìn)行支撐。為了便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，已經(jīng)方便計算，本系統(tǒng)的軟件部分采用C語言進(jìn)行編程，并采用主程序調(diào)用中斷的形式進(jìn)行設(shè)計。本系統(tǒng)的軟件按功能可以分為以下3個部分:

1)主程序部分:主要功能是完成系統(tǒng)的初始化工作，并且實(shí)現(xiàn)對超聲波發(fā)射和接收順序的控制。

2)定時中斷子程序:也可以稱為超聲波發(fā)射子程序，主要功能是實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射。

3)外部中斷子程序:也可以稱為計算子程序，主要功能是進(jìn)行傳播時間的讀取、傳播距離計算和最終結(jié)果的輸出等工作［5］。

基于超聲波的船舶測距系統(tǒng)程序流程如圖4所示?；镜墓ぷ髁鞒淌牵紫冗\(yùn)行主程序，進(jìn)行系統(tǒng)的初始化工作，同時完成定時器的工作模式的設(shè)置已經(jīng)總中斷允許位的置位。在完成這些基礎(chǔ)的工作之后，主程序調(diào)用定時中斷子程序，發(fā)出超聲波脈沖。為防止剛發(fā)射出的超聲波，直接被旁邊的接收裝置誤接收，需要設(shè)置一個較短的延遲時間再進(jìn)行接收，一般可設(shè)為0.1 ms，然后再打開外中斷接收返回的超聲波信號，這樣就可以避免誤檢測。

主程序一直檢測是否有超聲波返回，一旦檢測到返回的超聲波信號，立即進(jìn)入中斷子程序，進(jìn)入中斷子程序之后就立即刻關(guān)閉計時器，停止計時，讀取超聲波傳播的時間值，并根據(jù)計算公式計算超聲波的傳播距離，從而得到障礙物的距離，然后將結(jié)果進(jìn)行輸出。

硬件電路搭建完畢并完成調(diào)試之后，就可以將編譯好的C語言程序，下載到單片機(jī)，進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況，可以對一些參數(shù)進(jìn)行修改和優(yōu)化?？梢猿暡òl(fā)射的脈沖寬度進(jìn)行修改和優(yōu)化，可以對超聲波的測量間隔時間進(jìn)行修改，通過修改可以得到適應(yīng)與船舶距離測量需要的軟件控制程序。在完成整個系統(tǒng)調(diào)試后，還需要對系統(tǒng)的測量誤差進(jìn)行驗(yàn)證和分析，分析產(chǎn)生的原因，然后

再進(jìn)行針對性的校正和優(yōu)化，使其達(dá)到符合船舶距離測量對精度的要求。

圖4　基于超聲波的船舶測距系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 The program flow chart of distance measurement system of ship based on ultrasonic

5　結(jié)語

船舶在水中航行，為了保障其安全行駛，避免碰撞事故發(fā)生，往往需要對其周圍的障礙物進(jìn)行距離的測量。本文對超聲波在船舶距離測量領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，基于單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計了一種適用于中小型船舶的船舶超聲波距離測量系統(tǒng)。本文對系統(tǒng)中核心硬件部分進(jìn)行選型和設(shè)計，對軟件工作流程進(jìn)行設(shè)計與分析。系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89C51作為系統(tǒng)的控制核心，同時系統(tǒng)增加了溫度補(bǔ)償模塊，在很大程度上保證了測量精度，同時還配備了LED顯示功能，可以讓船舶工作人員能夠直觀的了解前方障礙物距離信息，掌握船舶當(dāng)前的航行狀態(tài)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用，并且可以實(shí)現(xiàn)較高的測量精度。

參考文獻(xiàn):

［1］陳青彬．超聲波液位檢測報警系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用研究［J］．船電技術(shù)，2011，31(2)．CHEN Qing-bin．Application of measurement and alarm system to ultrasonic liquid-level in ship［J］．Marine Electric ＆Electronic Technology，2011，31(2)．

［2］徐務(wù)農(nóng)，邊少鋒，陳永冰．艦船避碰系統(tǒng)研究綜述［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30(3) :42－46．XU Wu-nong，BIAN Shao-feng，CHEN Yong-bing．Survey of research on ships collision avoidance system［J］．Ship Science and Technology，2008，30(3) :42－46．

［3］邱儉軍，施國全，汪晴．鎖相時差超聲波流量計［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，1996，18(6) :90－91 +94．

［4］張春光．基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計［J］．機(jī)床與液壓，．2008，36(7) :208－211．ZHANGChun-guang．Design of ultrasonic distance measurement systembased on microprocessor［J］．Machinetool＆Hydraulics，2008，36(7) :208－211．

［5］趙廣濤，程蔭杭．基于超聲波傳感器的測距系統(tǒng)設(shè)計［J］．傳感器與儀器儀表，2008，1(1) :129－130．ZHAO Guang-tao，CHENG Yin-hang．The ultrasonic ranging system based on the ultrasonic sensor［J］．2008，1 (1) :129－130．

作者簡介:周敘國(1971－)，男，副教授，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄軕?yīng)用。

收稿日期:2015－01－05;修回日期: 2015－04－07

文章編號:1672－7649(2015) 07－0211－05doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.050

中圖分類號:U664．262

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A