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(貴州理工學院電氣與信息工程學院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

超聲波是一種在彈性的媒質(zhì)中傳播的縱波,其頻率范圍則在20 kHz和大約1 GHz之間。超聲波頻率高，易匯聚成束定向傳播，具有較強的貫穿能力。市場上已有成熟的超聲波換能器產(chǎn)品。因為超聲波在介質(zhì)中的傳播的速度與介質(zhì)的特性和狀態(tài)等因素有關(guān)，接收到的超聲信號便攜帶了介質(zhì)中待測參量的信息，所以可通過介質(zhì)中的聲速測定了解媒質(zhì)的特性或狀態(tài)變化[1]。比如可利用聲速測量氣體濃度[2-4]和地外空間探測[5]。

傳統(tǒng)的聲速測量方法有：共振干涉法、相位比較法等。這些方法所需要的儀器復雜，且實驗過程有人為誤差，往往不能滿足工程成本、便攜性和精度需求。所以，根據(jù)時差法[6]給出一種聲速測量的軟硬件實現(xiàn)方法。該方法利用了HC-SR04模塊的測距功能，測量空氣中固定距離的超聲波傳播時間，并通過測溫模塊獲得當前環(huán)境溫度，進而可實時精確獲取不同溫度下空氣中超聲傳播速度。

本文方法與傳統(tǒng)的共振干涉法、相位比較法等測量方法相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、方便攜帶、成本低、精度高等優(yōu)勢?；诒痉椒ㄔO(shè)計的實驗裝置測量結(jié)果與6組不同溫度下空氣中聲速理論計算值[1]相比，相對誤差低于0.6%。

1 HC-SR04測距模塊

一般使用HC-SR04如圖1所示。作為超聲測量距離的模塊。HC-SR04的工作原理是，EM78P153單片機作為處理核心的觸發(fā)信號輸入端收到從C51單片機發(fā)出一個最小10 μs的高電平信號后，EM78P153發(fā)出40 kHz的方波，經(jīng)過LMC6034IM運算放大，由超聲波探頭轉(zhuǎn)化為40 kHz聲波；聲波經(jīng)過物體反射后被接收探頭接收，再由EM78P153處理后由回響信號輸出端發(fā)出一個高電平信號反饋給C51單片機，C51單片機就從發(fā)出高電平信號時開始計時，在收到高電平信號后結(jié)束計時，兩個信號之間的時間間隔就是超聲波的傳播時間。

圖1 HC-SR04測距模塊實物

HC-SR04測距模塊使用時差法測量出超聲波從發(fā)出到接收之間的傳播時間，然后再根據(jù)空氣中已知的聲速，通過計算得出障礙物與超聲波探頭的距離。

2 時差法聲速測量原理

本文則通過程序修改，利用HC-SR04測距模塊，采用時差法實現(xiàn)不同溫度下的聲速測量。時差法測量聲速[6]的基本原理是通過測量已知距離的超聲傳播時間，計算得到超聲傳播速度。時差法的單片機實現(xiàn)思路是，在確定的距離之間，由控制電路定時發(fā)出一個聲脈沖波，經(jīng)過一段距離的傳播后并且反射后到達超聲波接收換能器；接收到的信號經(jīng)放大與濾波后由高精度計數(shù)器得出聲波從發(fā)出到接收這個在介質(zhì)傳播中經(jīng)過的時間，在根據(jù)程序算法從而計算出在某一介質(zhì)中的傳播速度。因為時差法是基于儀器本身測量進行計算，避免了共振干涉法、相位比較法等需要人工目測所帶來的誤差，保證了其較高的測量精度。

3 時差法聲速測量的硬件設(shè)計

時差法聲速測量的硬件設(shè)計主要包含AT89S52單片機、顯示模塊、溫度模塊、基于HC-SR04的超聲波收發(fā)模塊，如圖2所示。

AT89S52是ATMEL公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，內(nèi)部具有8 k的系統(tǒng)可編程Flash存儲器。存儲器使用了Atmel 公司的高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，保證了在斷電后芯片仍然能夠保持數(shù)據(jù)，具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優(yōu)點，并且與MCU-51單片機產(chǎn)品指令與引腳完全兼容。顯示模塊選用了LCD1602,能夠同時顯示16×02即32個字符。溫度模塊選用了DALLAS公司推出的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20。它將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為一根雙向串行傳輸數(shù)據(jù)的信號線，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高等特點。

圖2 時差法聲速測量的硬件結(jié)構(gòu)

4 時差法聲速測量的程序設(shè)計

時差法聲速測量的程序設(shè)計主要有主程序、單片機初始化子程序、顯示子程序、溫度子程序、中斷子程序、聲速計算函數(shù)子程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收子程序等構(gòu)成。

主程序先對單片機系統(tǒng)初始化，設(shè)置計數(shù)器T0工作方式為方式1，然后發(fā)出溫度指令，控制DS18B20溫度傳感器，再由AT89S52單片機向HC-SR04模塊發(fā)出一個高電平信號，控制HC-SR04中的單片機發(fā)出40 kHz的信號，經(jīng)過運算放大器放大后由超聲波探頭發(fā)出40 kHz的超聲波，在經(jīng)過物體反射后由另一個超聲波探頭接收到超聲波信號。

超聲波信號被接收到后，HC-SR04內(nèi)的單片機向AT89S52主控制器發(fā)出一個高電平信號，AT89S52主控制器在接收到高電平信號后，系統(tǒng)進入中斷，計數(shù)器T0停止計數(shù)，最后由計數(shù)器中的數(shù)據(jù)得出傳播時間。由于本設(shè)計是測量聲速，所以設(shè)置超聲波經(jīng)過的距離是已知的，再按照公式c=S/T計算得到超聲波在空氣中的傳播速度。由于超聲波傳播速度中會因環(huán)境溫度的變化而發(fā)生改變，所以需要一個溫度傳感器，測量在當前時刻的溫度。LCD1602則將測量得到的聲速與環(huán)境溫度同時用顯示出來。

圖3是時差法聲速測量的程序設(shè)計流程圖，其中HC-SR04模塊信號流程圖如圖4所示。在整個程序設(shè)計中AT89S52單片機不僅負責對整個程序的控制，還控制HC-SR04模塊發(fā)出與接收超聲波，最后還要計算聲速與顯示聲速結(jié)果與溫度。HC-SR04模塊則在整個時差法測量聲速的模塊中起數(shù)據(jù)采集的作用。

圖3 超聲波測量聲速主程序

圖4 HC-SR04模塊信號流程

5 實驗與討論

本次實驗采用的天祥電子出產(chǎn)的產(chǎn)品[7]：C51系列單片機實驗板、HC-SR04模塊和DS18B20溫度傳感器如圖5所示。

圖5 時差法聲速測量實驗裝置

在實驗中，測量了不同溫度下，障礙物與探頭之間不同距離時超聲波在空氣中的傳播速度，并與測量結(jié)果與理論計算值進行了比較。

理想氣體中聲傳播速度的理論計算公式為[1]：

(1)

對于空氣中的熱容比γ=1.402，標準大氣壓P0=1.013×105Pa。當溫度為0 ℃時，空氣密度ρ0=1.293 kg/m3，可根據(jù)(1)式計算得到溫度為0 ℃時，聲速c0(0 ℃)=331.6 m/s。

由于超聲波在空氣中傳播時受到環(huán)境溫度的影響， 當溫度為t℃時空氣中的理論聲速為[1]：

(2)

μ為氣體摩爾量，對于空氣μ=29×10-3kg/mol；R=8.31 J/K mol為氣體數(shù)。將c0(0 ℃)=331.6 m/s代入(2)式可得溫度為t℃時的理論聲速為：

c0(t℃)=331.6+0.6t(m/s)

(3)

表1記錄了當障礙物與超聲波探頭之間為6組不同距離時，不同溫度下實測得到的聲速與利用公式(3)計算得到的理論聲速的對比情況。圖5則展示了當環(huán)境溫度為25.1 ℃，障礙物與超聲波探頭之間的距離為10 cm時，所采用的實驗裝置實時測得的空氣中聲速為346.6 m/s。從表1中可以看到實測的聲速與理論聲速的最大相對誤差僅為0.6%，說明本文給出的時差法聲速測量的硬軟件設(shè)計是合理的。

表1 聲速測量實驗值與理論值[1]的對比

6 結(jié)束語

基于時差法原理，給出了一種基于HC-SR04測距模塊的聲速測量的實現(xiàn)硬件和程序設(shè)計。介紹了所包含的硬件模塊、HC-SR04模塊的信號處理流程、聲速測量的程序?qū)崿F(xiàn)流程。通過所設(shè)計的實驗裝置，測量了不同已知距離下的超聲波傳播時間以及環(huán)境溫度，并通過LCD顯示屏實時展示所測得的聲速和對應的環(huán)境溫度。當障礙物與超聲波探頭之間距離分布在5 ～30 cm的6組不同時，實測得到的聲速與理論計算值的最大相對誤差僅為0.6%，從而證明了可利用本文方法精確獲得不同溫度時空氣中的超聲波傳播速度。本文方法不僅避免了實驗過程的人為誤差，還具有結(jié)構(gòu)簡單、方便攜帶、成本低、精度高和實時顯示測量聲速等優(yōu)勢。

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