王永彬

（臨沂科技職業(yè)學院，山東 臨沂 276000）

在實際生產(chǎn)和生活中，經(jīng)常需要對距離（位置）進行測量，以進行距離的直接提示，或者以距離為參量進行其他物理量的計算和控制，比如計算物體的速度。測量距離的方法有很多種，總體上看有直接測量法（如利用尺子測量）和間接測量法（如激光測距、紅外線測距、超聲波測距等）2 種。由于超聲波波束定向指向性強，在介質(zhì)中傳播時能量損耗比較小[1]，特別是在空氣、水中傳播能達到較遠的距離，因而適合利用超聲波的這一特性進行距離的測量。利用超聲波測距的特點是測量過程迅速和方便，并且計算簡單，測量精度高，因此被大量應用于工業(yè)場合，比如汽車的倒車雷達、移動機器人的位置確認等，都是超聲波測距方式的典型應用。

1 超聲波測距原理

超聲波測距原理是利用超聲波換能器的發(fā)射裝置發(fā)出一定頻率的超聲波，超聲波遇到障礙物時就會有反射波反射回來并被接收器接收，利用從發(fā)射到接收的往返時間差就可以進行距離測量，這與無線電雷達的測距原理很相似。具體實現(xiàn)過程是：超聲波模塊的發(fā)射器向要進行測距的特定方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射開始的瞬間同步開始計時，如果沒有障礙物，超聲波在空氣中會向前自由傳播，當途中碰到障礙物阻擋時則會立即被反射回來，當反射波到達接收器時就立即停止計時操作。根據(jù)經(jīng)驗值知道超聲波在空氣中的自由傳播速度約為340 m/s，假設計時器記錄的超聲波發(fā)射和接收時間差為t（單位：s），這樣就能計算出發(fā)射點與障礙物之間的距離S（單位：m），計算公式為S=340×t/2。此外，當測量精度要求較高時，還需要充分考慮到溫度對超聲波速度的影響，當溫度為0 ℃時超聲波速度是332 m/s，20 ℃時是344 m/s，30 ℃時是350 m/s，這樣就可以根據(jù)環(huán)境溫度進行超聲波測距的溫度修正。

2 超聲波測距硬件電路設計

2.1 核心測距傳感器

本系統(tǒng)采用市面上已成熟量產(chǎn)的HC-SR04 型集成超聲波傳感模塊作為核心測距傳感器。

模塊總體功能介紹：該模塊可提供2～450 cm 距離范圍的非接觸式測量功能，測度距離精確，精度高達3 mm，性能穩(wěn)定，能與國外的SRF05、SRF02 等超聲波測距模塊相媲美。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路，可廣泛應用于距離測量、機器人避障、防盜報警裝置等。

工作原理：①給超聲波模塊通電源。②給脈沖觸發(fā)引腳（Trig）輸入一個維持時間不短于20 μs 的高電平信號。③輸入高電平觸發(fā)信號后，模塊會自動發(fā)射8個連續(xù)的40 kHz 頻率的超聲波信號，與此同時回波信號（Echo）端的電平同步發(fā)生正跳變，即由0 變?yōu)?，此時立即同步啟動定時器開始計時。④當反射超聲波被模塊接收到時，回波信號端的電平會發(fā)生負跳變，即由1 變?yōu)?，此時接著立即停止定時器計數(shù)，定時器中保存的這個時間差即為超聲波由發(fā)射到返回的總時長，它在數(shù)值上等于2 倍的被測距離與聲速的比值。⑤由于聲音在空氣中的傳播速度典型值為340 m/s，則可間接計算出所測的距離。測試距離=（高電平時間×聲速）/2。其中，聲速為340 m/s。

典型工作參數(shù)如下。

工作電壓：DC 5 V。

靜態(tài)電流：小于2 mA。

工作電流：15 mA。

工作頻率：40 kHz。

高電平輸出：5 V。

低電平輸出：0 V。

感應角度：不大于15°。

探測距離：2～450 cm。

高精度：可達0.3 cm。

該模塊是雙面貼片封裝，對外提供4 個引腳，分別是GND、Echo、Trig、+5 V。GND 為電源地，Echo為接收模塊的回波信號輸出引腳，Trig 為超聲波發(fā)射模塊的外部觸發(fā)啟動信號輸入引腳，+5 V 是工作電源正極。

模塊集成了一片單片機，當SR04 模塊上的單片機的觸發(fā)信號輸入引腳收到大于10 μs 的啟動脈沖后，會發(fā)出8 個頻率為40 kHz 的脈沖信號，這個電脈沖信號由超聲波模塊換能器調(diào)制轉(zhuǎn)換成超聲波音頻信號發(fā)出后，回波信號輸出引腳同時會輸出一個高電平。超聲波遇到障礙物返回后，回響信號狀態(tài)發(fā)生變化[2]，從高電平變?yōu)榈碗娖健Ｒ虼丝梢愿鶕?jù)這個回響信號的高電平維持時間寬度來計算距離，如圖1 所示。

圖1 超聲波測距時序圖

根據(jù)圖1 中回響信號的脈沖寬度，可以獲得距離參數(shù)。計算公式為：距離=回響信號高電平時間×聲速（精度不高直接采用340 m/s）/2。

2.2 主控芯片

本系統(tǒng)采用AT89C4051 單片機作為主控芯片。它采用dip20 引腳的雙列直插式封裝，具有4K 的程序存儲空間，128 字節(jié)內(nèi)部RAM，2 個外中斷源，2 個16位定時/計數(shù)器，1 個UART 串行口，16 個I/O 引腳，能完全滿足控制要求，價格低，性價比高。

單片機P3.7 引腳接到超聲波模塊的觸發(fā)信號輸入引腳，P3.6 引腳接到回聲信號輸出引腳，將P1 口作為LCD1602 液晶模塊的數(shù)據(jù)接口，P3.0 引腳作為R/W 讀寫控制，P3.1 引腳作為R/S 指令/數(shù)據(jù)選擇控制[3]。由于某些使用場合對測距精度要求較高，需要進行測距的實時溫度修正，因此可以使用一片Dalas 公司的DS18B20 單總線數(shù)字溫度傳感器進行環(huán)境溫度的實時測量，這里用P3.3 作為單片機與DS18B20 的單總線接口，最后3 個芯片都需要連接上+5 V 電源和GND。

3 超聲波測距系統(tǒng)的軟件設計

首先是單片機和超聲波模塊的初始化，進行本次測距的準備工作。接著由單片機輸出一個20 μs 的啟動脈沖啟動超聲波模塊的發(fā)射，此時模塊的Echo 引腳同步輸出高電平信號，同時單片機啟動定時器開始計時和啟動DS18B20 進行實時溫度檢測，然后程序不斷檢測查詢超聲回波信號引腳狀態(tài)，當接收到回波信號時Echo 引腳變?yōu)榈碗娖?，單片機立即關(guān)閉定時，最后的定時時間t就是超聲波經(jīng)過2 倍被測距離所用的時間，因此實際距離S=（t×340/2）m。

當測量精度要求較高時，還需要充分考慮到溫度的不同對于超聲波速度的影響[4]。當溫度為0 ℃時超聲波速度是332 m/s，20 ℃時是344 m/s，30 ℃時是350 m/s，即實際聲速v與環(huán)境溫度Temp大致成線性比例關(guān)系。以溫度0 ℃時的聲速為基準，則實際聲速v=（332+Temp×0.6）m/s，故經(jīng)過溫度修正后的實際距離為S=（t×（332+Temp×0.6）/2）m。而用于測距溫度修正的溫度檢測可以利用DS18B20 溫度傳感芯片實現(xiàn)。

DS18B20 是美信公司的一款溫度傳感器，單片機可以通過1-Wire 協(xié)議與DS18B20 進行通信，最終將溫度讀出。1-Wire 總線的硬件接口很簡單，只需要把DS18B20 的數(shù)據(jù)引腳和單片機的一個I/O 口接上就可以了。

DS18B20 通過編程，可以實現(xiàn)最高12 位的溫度存儲值。溫度數(shù)據(jù)是2 個字節(jié)，讀取數(shù)據(jù)的時候，先讀取到的是低字節(jié)的低位。它所表示的溫度值中，有小數(shù)和整數(shù)兩部分。把小數(shù)和整數(shù)部分分離，在合適的位置點上小數(shù)點即可。本設計的程序中，保留一位小數(shù)位。

經(jīng)過溫度修正后最后得到的測量距離結(jié)果，可以通過單片機P1 數(shù)據(jù)口和P3.0/P3.1 控制端口，將其在液晶模塊上實時顯示出來，第一行顯示環(huán)境溫度，第二行顯示測量的實際距離。

4 超聲波測距的精度的進一步優(yōu)化

在軟件實現(xiàn)代碼中，檢測回響信號脈沖寬度時可以用軟件查詢的方式，即用代碼檢測與Echo 引腳連接的單片機P3.6 引腳的電平變化來啟動和關(guān)閉定時器，從而實現(xiàn)對時間的測量。在要求不高的測量時，這樣做完全可以得到讓人滿意的結(jié)果。但如果系統(tǒng)功能擴展得比較復雜（比如進行實時溫度補償、進行蜂鳴聲音提示、與上位機數(shù)據(jù)通信），則系統(tǒng)中還需要開啟其他多個中斷，而某些中斷函數(shù)還可能執(zhí)行較長的時間時，就可能發(fā)生這樣一種情況：當實際的回響信號變化時，系統(tǒng)正在執(zhí)行某個耗時較長的中斷函數(shù)，那么主程序中的檢測就只能等待此中斷函數(shù)執(zhí)行完后才能繼續(xù)，于是就可能造成程序檢測到回響信號變化的時刻比實際發(fā)生的時刻要晚一些，從而會使定時器測得的脈沖寬度值發(fā)生較大偏差，進而使計算出的距離發(fā)生較大的偏差[5]。

針對此問題，可以通過靈活運用定時器T0 或T1的門控功能來解決。這里利用T0 的門控功能實現(xiàn)高精度的超聲波測距。具體實現(xiàn)方法：啟用T0 門控功能（TMOD 中相應的GATE 位置1），這時外部中斷引腳INT0（P3.2）將起到實際控制T0 啟停的作用，即INT0 為1 時T0 啟動計數(shù)，INT0 為0 時T0 停止計數(shù)，這樣就不需要編寫代碼來檢測超聲波回聲信號，而是可以將回聲信號連接到INT0 即P3.2 引腳上，讓它自動控制T0 啟停，從而避免了軟件檢測時可能產(chǎn)生的偏差，測量精度將大大提高。

5 運行測試結(jié)果

將超聲波模塊通過排線與單片機主控板連接，將液晶模塊焊接到與主控板的液晶接口，確認無誤后上電，此時液晶模塊會顯示Test 字樣。將超聲波模塊對準一個不小于0.5 m2的障礙物，按開始測距按鈕，超聲波發(fā)射模塊被啟動。當發(fā)射的超聲波被反射回來由接收器接收到時，單片機將測得的距離數(shù)據(jù)進行計算處理并顯示在液晶模塊上。例如第一次測量后顯示距離為0.205 m，經(jīng)實際用尺子測量得到的數(shù)據(jù)為0.200 m，誤差為0.5 cm；第二次測量后顯示距離為0.396 m，實際用測量距離為0.400 m，誤差為0.4 cm；第三次測量后顯示距離為0.603 m，實際測量距離為0.600 m，誤差為0.3 cm，誤差范圍在0.3～0.5 cm，測試較為準確，特別是被測試物體表面平整，并且模塊入射角度越垂直于被測物體表面時效果更好。

6 結(jié)束語

本設計基于單片機和超聲波集成傳感模塊實現(xiàn)對距離的非接觸式自動測量，利用量產(chǎn)的成品化的高精度超聲波傳感器，使系統(tǒng)設計簡單高效，大大方便與單片機接口。利用單片機靈活強大的實時控制和數(shù)據(jù)運算功能，實現(xiàn)測量點與障礙物之間距離的實時測量和修正功能，并在液晶模塊上直觀顯示出來測距結(jié)果，還可以根據(jù)測量的不同距離范圍進行不同頻率的聲音報警。同時探討了如何利用溫度測量模塊進行測距結(jié)果的實時溫度修正，以及利用單片機定時器的門控定時功能提高測量精度的方法，最大限度地提高測量的準確度。

本系統(tǒng)設計簡易，雖然不能測量過遠的距離（5 m之外），但規(guī)模小，外圍電路簡單，調(diào)試方便，成本低，器件更換維護容易，靈活性高，與被測量物體不需要直接接觸，可以廣泛應用于多種場合，如汽車倒車防撞提醒、智慧物流運動控制、建筑工地作業(yè)安全提示、公共安防中的接近檢測、停車場安全檢測、工農(nóng)業(yè)現(xiàn)場中的液位測量、工件運動位置測量等，它的推廣應用將大大便利人們的生活和提高工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化效率，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟社會效益。