徐秀麗+劉美麗+王丹

摘要本文設(shè)計(jì)了一個(gè)以單片機(jī)為主控制器、蜂鳴器作為報(bào)警模塊、溫度傳感器為測(cè)距補(bǔ)償模塊的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。單片機(jī)通過(guò)對(duì)超聲波發(fā)出和返回的時(shí)間，并考量溫度對(duì)超聲波速度的影響，計(jì)算并顯示障礙物距系統(tǒng)的距離，當(dāng)小于預(yù)設(shè)安全閾值時(shí)發(fā)出近距離報(bào)警提示。

關(guān)鍵詞單片機(jī)；超聲波測(cè)距；溫度補(bǔ)償；報(bào)警

超聲波測(cè)距應(yīng)用廣泛，如用于車(chē)輛中，可以一定程度的避免新手對(duì)車(chē)距把握不準(zhǔn)確的問(wèn)題，和倒車(chē)中減少車(chē)輛的刮擦事故，倒車(chē)過(guò)程中存在視覺(jué)盲區(qū)導(dǎo)致駕駛員無(wú)法觀(guān)察到盲區(qū)的路面狀況，且與車(chē)輛后方障礙物的距離無(wú)法準(zhǔn)確判斷，僅依照經(jīng)驗(yàn)判斷距離不能避免事故的發(fā)生?；诖耍b于超聲波指向性好，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常被用于距離的測(cè)量。超聲波是一種頻率在20KHz以上的聲波，作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦裕悍瓷?、折射、干涉、衍射和散射，與物理聯(lián)系緊密，應(yīng)用靈活。利用超聲波測(cè)距往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制。司機(jī)在需要時(shí)可啟動(dòng)該裝置，單片機(jī)控制分散在車(chē)后的超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，當(dāng)遇到障礙物后會(huì)產(chǎn)生反射回的超聲波，被超聲波探測(cè)器吸收，通過(guò)單片機(jī)計(jì)算后，在數(shù)碼管上顯示出車(chē)與障礙物的距離，當(dāng)距離小于安全距離時(shí)，控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，從而減少刮擦、碰撞事故的發(fā)生。

由于激光測(cè)距方式適應(yīng)惡劣天氣的能力較差且容易受到雨、雪、霧等環(huán)境因素的影響，而本設(shè)計(jì)中的裝置要求能適應(yīng)通常天氣狀況，同時(shí)為了實(shí)用，盡可能降低成本，因此選擇超聲波測(cè)距方式。單片機(jī)控制超聲波發(fā)射器發(fā)射出超聲波，同時(shí)計(jì)時(shí)器啟動(dòng)計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，當(dāng)遇到障礙物發(fā)生反射，反射回波被超聲波接收器接收到時(shí)，令計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，所計(jì)時(shí)間為t，己知超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，由式：s=340xt/2，可測(cè)得系統(tǒng)與障礙物距離，單位為m。超聲波因其在不同溫度下傳播速度有差別，考慮溫度變化對(duì)超聲波傳播速度產(chǎn)生的的影響（表1），需要在測(cè)距時(shí)對(duì)超聲波傳播速度進(jìn)行修正，從而減小溫度對(duì)測(cè)量帶來(lái)的誤差。超聲波在空氣中傳播速度與溫度的關(guān)系式：V=331.4+0.607T，其中，為溫度，單位為℃，V為超聲波在空氣中的傳播速度，單位為m/s。

為提高系統(tǒng)在測(cè)量時(shí)的精度，采用單總線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器DS18820，根據(jù)溫度值范圍選取表1中合適的聲速值進(jìn)行測(cè)距計(jì)算，但由于溫度參量是模擬變化的，并且溫度值常常有非整數(shù)的情況，因此，求超聲波的傳播速度還是需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償計(jì)算，才能得到一個(gè)相對(duì)精確的距離值。修正后的測(cè)量距離：s=（331.4+0.607T）xt/2，單位為m。由于DS18820具有體積小、使用方便、精度高等特點(diǎn)，將它作為修正聲速的溫度補(bǔ)償傳感器。超聲波測(cè)距模塊采用HC-SR04超聲波模塊，該模塊可提供2cm～400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)3mm，對(duì)于一般的車(chē)輛倒車(chē)與交通擁堵時(shí)車(chē)距的測(cè)量，此精度是滿(mǎn)足需求的。單片機(jī)為T(mén)rig引腳提供10μs以上的脈沖觸發(fā)信號(hào)，超聲波傳感器內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40KHz周期電平，同時(shí)自動(dòng)檢測(cè)回波，一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出Echo信號(hào)，Echo信號(hào)脈沖寬度與所測(cè)距離成正比。利用單片機(jī)定時(shí)器計(jì)得發(fā)射信號(hào)到回波信號(hào)的時(shí)間，可計(jì)算出距離s值。為了防止超聲波傳感器自身的發(fā)射信號(hào)和回響信號(hào)互相影響，測(cè)量周期至少60ms以上。測(cè)距時(shí)，被測(cè)物體面積不少于0.5㎡且平面盡量要求平整，這樣測(cè)量結(jié)果將更精確，這是由于傳感器外形上發(fā)射信號(hào)端和接收回響信號(hào)端距離較近，且測(cè)量夾角為15°，這樣對(duì)于被測(cè)物體面積將有要求，若面積過(guò)小，則測(cè)量的靈敏度將下降，即需要縮短與被測(cè)物間的距離，并且被測(cè)物表面若不是平面，比如轉(zhuǎn)彎處或有一定圓度/角度處，則會(huì)影響接收器的接收，可安放多個(gè)超聲波傳感器于特定位置，通過(guò)算法取其最優(yōu)值，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。排除冬季車(chē)庫(kù)的室內(nèi)外溫度差對(duì)聲速的影響，一般情況下在溫度起伏不大的情況，可以考慮略過(guò)重復(fù)讀溫度值的這一流程，系統(tǒng)可以在此進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，以提高系統(tǒng)測(cè)距反應(yīng)時(shí)間。