何凡++沈諒平++王浩

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

關(guān)鍵詞：超聲波；單片機(jī)；測(cè)距；溫度補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TN722 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(diǎn)是其能夠擁有良好的方向性，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能。目前國(guó)產(chǎn)低功率超聲波探頭一般不能用于探測(cè)15 m以外的物體，而美國(guó) AIRMAR 公司生產(chǎn)的 Airducer AR30 超聲波傳感器的作用距離可達(dá)30 m[2]，但價(jià)格昂貴。潘仲明[3]等對(duì)大作用距離超聲波傳感技術(shù)進(jìn)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(cè)量誤差小于2%。然而，超聲波測(cè)距系統(tǒng)中，超聲波的速度受溫度的影響較大，從而導(dǎo)致超聲測(cè)距的測(cè)距精度不高，為了進(jìn)一步提高測(cè)距精度，本文運(yùn)用了溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖岣邷y(cè)距精度。

1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)

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

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

（1）

發(fā)射信號(hào)的初相位角為 φ1，回波信號(hào)為：

（2）

式（2）中，D為被測(cè)距離，c為聲速。因此發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)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(cè)法的精度高，但檢測(cè)距離很短，并且方法相對(duì)復(fù)雜。

渡越時(shí)間法是檢測(cè)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(shí)間t，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間，然后求出距離D。設(shè)t為往返時(shí)間差，則有

D=（c×t）/2 （5）

渡越時(shí)間法工作方式簡(jiǎn)單，硬件控制和軟件設(shè)計(jì)都容易實(shí)現(xiàn)。綜合以上分析，本文采用渡越時(shí)間法。

根據(jù)式（5）可知，用渡越時(shí)間法進(jìn)行測(cè)距時(shí)，距離的測(cè)量精度主要與測(cè)量時(shí)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(cè)距時(shí)，如果溫度的變化不大，則認(rèn)為聲速c是基本不變的，計(jì)算時(shí)取c為340 m/s。但當(dāng)溫度變化較大時(shí)，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(shí)，聲速的變化為4.6%。為了進(jìn)一步提高測(cè)距精度，需考慮采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉砑右孕Ｕ?/p>

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

測(cè)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(hào)處理器，它具有超低功耗、速度快、存儲(chǔ)空間容量大以及片內(nèi)資源豐富等優(yōu)點(diǎn)[5，6]。最重要的是MSP430F149的TA、TB兩個(gè)定時(shí)器分別有3個(gè)和7個(gè)CCR模塊[7]，每個(gè)模塊都具有匹配/捕獲功能，利用捕獲功能，可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波從發(fā)射到返回所用時(shí)間的精確獲取。因此，本文選用MSP430F149單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。

圖1 超聲測(cè)距系統(tǒng)

在整個(gè)超聲波測(cè)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(jī)的驅(qū)動(dòng)下正常工作。超聲波收發(fā)模塊每次向被測(cè)物體發(fā)射出以8個(gè)為一組的40 kHz的超聲波，在接收到超聲波回波信號(hào)后，將超聲波往返時(shí)間轉(zhuǎn)換成一個(gè)脈寬與往返時(shí)間相等的脈沖信號(hào)返回給單片機(jī)[8]。溫度傳感器每隔900 ms進(jìn)行一次溫度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)在接收到超聲波往返時(shí)間、溫度傳感器測(cè)得的溫度等數(shù)據(jù)后，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與運(yùn)算，得到最終的測(cè)量距離。

2 系統(tǒng)測(cè)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(cè)量超聲波傳播時(shí)間，利用DS18B20測(cè)量環(huán)境溫度對(duì)超聲波速進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而提高測(cè)距精度。空氣中聲速與溫度的關(guān)系可通過式（6）計(jì)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(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。加入溫度補(bǔ)償后的測(cè)量距離可表示為：

l=（331.6+0.6T）t/2 （7）

為分析系統(tǒng)的測(cè)量誤差，本文通過實(shí)際測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證，共記錄了29組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)共分為近距離和遠(yuǎn)距離兩組，為了直觀的反應(yīng)出超聲波測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距性能，分別將實(shí)測(cè)距離和相對(duì)誤差與設(shè)定距離的關(guān)系繪制成了坐標(biāo)圖，具體的實(shí)際測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

由圖2（a）可知，當(dāng)設(shè)定距離與實(shí)測(cè)距離基本一致時(shí)，曲線應(yīng)該是一條過原點(diǎn)的傾斜度為45度的直線，但當(dāng)圖中的第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)定的距離為0.005 m時(shí)，所測(cè)得的實(shí)際距離為0.045 m，實(shí)測(cè)值比理論值大。圖2（b）中該點(diǎn)的相對(duì)誤差在整個(gè)曲線的最高點(diǎn)，因此第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)定的距離為0.005 m時(shí)，誤差較大。當(dāng)圖2（a）中的第四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)定的距離為0.02m，實(shí)測(cè)距離為0.019 m，實(shí)測(cè)值與理論值基本一致。圖2（b）中該點(diǎn)的相對(duì)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(shí)，曲線基本是一條過原點(diǎn)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(shí)測(cè)值

（b） 距離為0～0.1 m的相對(duì)誤差

（c） 距離為0.5～5 m的實(shí)測(cè)值

（d） 距離為0.5～5 m的相對(duì)誤差

圖2 實(shí)際測(cè)量結(jié)果及相對(duì)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(diǎn)的傾斜度為45度的直線，圖2（d）中相對(duì)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(shí)，相對(duì)誤差的曲線逐漸離開水平軸，并且保持穩(wěn)定趨勢(shì)，且誤差較大。

因此，由圖2分析可知，本設(shè)計(jì)的有效測(cè)量范圍為0.020～4.500 m，實(shí)測(cè)值與理論值基本一致。但從圖2（d）中可以看出，當(dāng)設(shè)定距離為0.5 m時(shí)，相對(duì)誤差較大，實(shí)測(cè)值與理論值有一定偏差，正常情況下該點(diǎn)屬于有效測(cè)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(gè)：（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(shí)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(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)通過實(shí)物現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與誤差分析，表明該測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距范圍、測(cè)距精度等各項(xiàng)指標(biāo)都滿足預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)。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(duì)誤差最大不超過1%，具有一定的可重復(fù)性。總體來說，超聲波測(cè)距優(yōu)點(diǎn)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。

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