超声波技术在船舶测距中的应用研究

周叙国

(贵州工业职业技术学院，贵州贵阳550008)

超声波技术在船舶测距中的应用研究

周叙国

(贵州工业职业技术学院，贵州贵阳550008)

摘要:船舶在水中航行，经常会涉及到对周围物体和船只的测量，以便及时发现危险，避免碰撞事故的发生。超声波是自然界中的一种机械波，超声波在传播时，具有传播方向性强，传播能量强，而且传播过程不容易被干扰，传播能量衰减较小，传播较远的优点。因此，可以将超声波方便地应用在船舶测距系统中。本文基于单片机，对船舶的超声波测距系统进行设计和研究，系统可以实现对船舶周围物体距离和方向的测量。

关键词:超声波;船舶;测距

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

船舶是一种在水域中航行的交通工具，因为其载重量很大，具有很大的惯性。船舶不同于其他的路上交通工具，船舶不具备很强的灵活性和可控性，所以需要对周边的船舶和障碍物进行提前的测量和预判，以避免发现障碍物时为时已晚，不能通过紧急的转向操作有效避开障碍物，避免碰撞事故。

超声波是存在于自然界中的一种机械波，一般是指频率高于20 kHz的机械波。超声波在传播过程中，具有较强指向性和方向性。传播时可传播能量比较强，而且在传播过程中不容易被干扰，传播过程中的能量衰减较小，因此超声波可以传播到很远的地方。由于超声波具有这一系列的优点，它比较适合应用于远距离测量领域，因此超声波在越来越多的领域得到了广泛的应用。目前市面上的超声波传感头的体积越来越小，价格越来越低，而且防水性能都比较好，因而超声波相关的装置被越来越多的应用于船舶距离测量的应用中［1］。

1　超声波测距原理

利用超声波进行距离测量的原理是，利用超声波的传播特性，超声波发射装置发射出超声波，超声波往前传播，直至超声波碰到障碍物，超声波原路返回，被超声波接收装置接受，超声波处理系统根据超声波来回传播的时间乘以超声波传播的速度，就可以计算出传声波的传播距离，以此计算出障碍物离超声波装置的距离［2］。超声波测量距离的原理图如图1所示。

图1　应用超声波进行测量距离的工作原理图Fig.1　The work principle chart of using ultrasonic in distance measurement

障碍物距离的计算公式如下:

式中: c为超声波的传播速度; t为超声波的传播时间，即超声波从发射出到超声波被接受所用的时间。为了缩小误差，超声波发射和接收装置距离要尽可能的靠近放置。

由于超声波是一种声波，其传播速度与声波一样，受温度的影响较大，不同的温度下超声波的传播速度不同，如果在计算时取某个固定值，会带来一定的计算误差，影响整个系统的测量精度。因此，在实际应用中，如果工作环境的温度基本恒定没有太大变化，基本可以认为声速是恒定不变的，在计算时取平均工作环境温度对应的固定值即可。但在一些环境温度变化较大，或是系统对测量精度要求比较高的应用场合，往往需要通过另外增加温度补偿部分，对超声波在不同温度下的实际传播速度进行相应的补偿和校正，从而得到比较准确的传播速度，继而得到相对准确的测量结果。

2　超声波测距系统

由于超声波指向性强，能量在传播过程中的消耗较小，因此可以传播较远的距离，因而超声波比较适用于中长距离的测量场合。本文采用单片机对超声波距离测量系统进行设计，系统设计比较方便。单片机采用12.0 MHz晶振，理论上的测量精度可以达到毫米级，完全可以达到船舶距离测量的对精度的要求。

基于单片机的距离测量系统，按照功能模块划分，包括单片机控制系统、超声波发射电路和超声波接收电路。另外，为了保障测量的精度，需要另外增加温度补偿电路，为了实现测量距离的实时直观的显示，需要增加LED显示电路，为了实现预警功能，需要增加语音播报电路。

船舶超声波距离测量系统的工作原理示意图如图2所示。系统的具体工作过程如下，装置在船舶上的单片机芯片发出固定频率的脉冲信号，然后经过放大器对该脉冲信号进行放大，防止其在传播过程衰弱太多，放大后的信号经过发射装置向前方发射。发射装置每次发射固定个数的脉冲，当第1个超声波脉冲发射后，等较短时间之后(可以取0.1 ms)计数器开始计数，防止刚发射出去的脉冲被旁边的接收装置直接接收，导致误接收。如果前方没有障碍物，发射出去的超声波脉冲就会有去无返，不会被接收。当前方有障碍物存在时，超声波信号遇到障碍物时，障碍物会阻挡超声波的继续传播，使其原路返回，从而被船舶上的超声波接收装置接收，在接收到返回的超声波的瞬间，停止计数器计数。然后超声波接收装置将接收到的超声波信号送到放大器，对其

进行放大处理，然后送至锁相环电路对其进行检波处理，确定接收信号的频率是否与发射超声波的频率一致。如果判断频率一致，则启动中断程序，得到传播时间，同时读取温度模块中传播速度的补偿值，对超声波传播速度进行补偿和校正，然后根据距离测量的标准公式，计算出障碍物的距离，并将该数值送LED显示进行实时显示，呈现给观测者。

图2　船舶超声波距离测量系统工作原理示意图Fig.2 The work principle diagram of distance measurement system of the ship based on ultrasonic

3　硬件电路部分设计

本节主要对基于单片机的船舶超声波距离测量系统的硬件电路部分进行设计。系统硬件电路部分按功能大致可分为单片机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路、温度补偿电路和显示电路等几部分。

基于超声波的船舶测距系统功能框图如图3所示。其中单片机控制系统，采用经典的AT89C51单片机作为控制核心，并辅以其他周边的电路共同组成单片机控制系统。其中超声波发射电路是采用74LS04反相器与周边电路组成而成，以CX20106A为核心的超声波处理模块对接收探头接收到的信号进行放大和滤波等处理，LED液晶显示模块主要实现超声波测量距离的显示功能，由于船舶航行条件温度变化较大，同时对距离测量精度要求较高，因此添加了以DS18B20为核心的温度补偿电路。系统结构简单可靠，成本不高，功能实用。

图3　基于超声波的船舶测距系统功能框图Fig.3 The block diagram of distance measurement system of ship based on ultrasonic

3.1单片机控制部分

本系统选用经典的AT89C51型号的单片机作为整个系统的核心主控芯片。该芯片典型的特点是可以在较低功耗的情况下实现较高的处理性能。AT89C51具有很强大的扩展性能，自带4K的FLASH存储空间和128 bit的RAM，有多达32个的I/O口。同时拥有2个16位定计数器，用于计算超声波传播的时间。具有1个5向量的两级中断结构，可以方便实现主程序调用中断子程序。带有一个全双工串行通信口，可以实现与上位机之间的通信。片内带有振荡器及时钟电路，可以发射固定频率的脉冲信号［3］。

3.2超声波发射电路

超声波发射电路，顾名思义，其主要功能是实现超声波的发射，该部分主要由超声波换能器和放大器两部分组成。其中超声波换能器是一个关键的装置，它的主要功能是实现电、波转换，即将单片机发出的电形式的脉冲信号转换成对应的波形式的超声波信号，然后将其发射。本系统采用T40信号的换能器进行设计，电路简单可靠。放大器部分本系统采用反相器74LS04组成，主要功能是对超声波发射换能器发射出的微弱的超声波信号进行放大，防止其在传播过程衰减，导致接受不到。

为了增强信号的强度，将单片机输出的40 kHz的电方波信号采用推挽形式对发射信号进行增强。即信号分为两路，一路直接送至超声波换能器的一个端口，另一路经过反向器后送至超声波换能器的一个端口。或者一路经过一级反向器后送至超声波换能器的一个端口，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个端口，相比这种方式增强效果更好。经过这种推换结构，可以提高超声波信号的发射强度。

3.3超声波接收电路

同超声波发射电路相对应，超声波接收电路的主要功能是接收碰到障碍物返回的超声波信号，主要由超声波接受传感器、放大电路和锁相环电路3个部分组成。其中超声波接受传感器的主要功能是将接收超声波，同时将超声波波信号转换为相应的电信号，方便之后的处理。放大电路的

主要功能是将返回来的微弱的超声波信号进行放大。锁相环电路的主要功能是判断返回的超声波的频率是否与单片机发射出的频率相同，在接收到与发出信号频率相同的信号后，向单片机发出中断请求。

本系统中的超声波接受传感器部分选用CX20106A集成电路进行设计。CX20106A集成电路不是专门用于超声波接收的芯片，而是一款用于红外检波接收的专用芯片，由于红外线和超声波的常用频率比较接近，本系统将它应用于超声波信号的检波和接收。CX20106A集成电路的主要功能是对接收到的超声波信号进行放大和滤波。其总放大增益可以达到80 dB。实验证明用该集成电路，具有较高的灵敏度和较强的抗干扰性［4］。

3.4温度补偿电路

船舶航行条件复杂，温度变化较大，超声波的传播速度会发生较大变化。为了实现较高的测量精度，本系统另外添加了温度补偿电路。采用DS18B20型号的温度传感器，测量环境温度值。该温度传感器的温度测温范围为－55～125℃，可以精确到小数点后3位数。DS18B20采用一线制与单片机相连，将测量的温度值发送给单片机，单片机根据温度，套用温度补偿表公式，对超声波的传播速度进行补偿。该温度补偿电路具有低成本、使用方便和分辨率高的特点。适用于各种狭小空间设备的温度测量。

3.5 LED显示电路

为了能够直观了解障碍物的距离，本系统增加了显示屏，可以显示汉字与数值，主要功能是测量到的障碍物实时距离反映在屏幕上，让船舶工作人员能够直观的了解前方障碍物距离信息，掌握船舶当前的航行状态。

当前可以做显示器的有LED、LCD和CRT等多种。其中CRT就是显像管式的显示器，具有视觉效果好，可靠性高，价格低廉的优点，但其体积大、耗电较多，对人体有辐射作用。LED就是发光二极管，其亮度很高，尺寸不受限制，但视觉效果比不上CRT显示器。

综合考虑系统的需求，采用LED显示屏，来对环境温度、测量距离等信息的显示。

4　软件设计

一个完整系统除了要拥有完善的硬件，还需要功能强大的软件进行支撑。为了便于进行结构优化，已经方便计算，本系统的软件部分采用C语言进行编程，并采用主程序调用中断的形式进行设计。本系统的软件按功能可以分为以下3个部分:

1)主程序部分:主要功能是完成系统的初始化工作，并且实现对超声波发射和接收顺序的控制。

2)定时中断子程序:也可以称为超声波发射子程序，主要功能是实现超声波的发射。

3)外部中断子程序:也可以称为计算子程序，主要功能是进行传播时间的读取、传播距离计算和最终结果的输出等工作［5］。

基于超声波的船舶测距系统程序流程如图4所示。基本的工作流程是，首先运行主程序，进行系统的初始化工作，同时完成定时器的工作模式的设置已经总中断允许位的置位。在完成这些基础的工作之后，主程序调用定时中断子程序，发出超声波脉冲。为防止刚发射出的超声波，直接被旁边的接收装置误接收，需要设置一个较短的延迟时间再进行接收，一般可设为0.1 ms，然后再打开外中断接收返回的超声波信号，这样就可以避免误检测。

主程序一直检测是否有超声波返回，一旦检测到返回的超声波信号，立即进入中断子程序，进入中断子程序之后就立即刻关闭计时器，停止计时，读取超声波传播的时间值，并根据计算公式计算超声波的传播距离，从而得到障碍物的距离，然后将结果进行输出。

硬件电路搭建完毕并完成调试之后，就可以将编译好的C语言程序，下载到单片机，进行调试运行。根据实际的运行情况，可以对一些参数进行修改和优化。可以超声波发射的脉冲宽度进行修改和优化，可以对超声波的测量间隔时间进行修改，通过修改可以得到适应与船舶距离测量需要的软件控制程序。在完成整个系统调试后，还需要对系统的测量误差进行验证和分析，分析产生的原因，然后

再进行针对性的校正和优化，使其达到符合船舶距离测量对精度的要求。

图4　基于超声波的船舶测距系统程序流程图Fig.4 The program flow chart of distance measurement system of ship based on ultrasonic

5　结语

船舶在水中航行，为了保障其安全行驶，避免碰撞事故发生，往往需要对其周围的障碍物进行距离的测量。本文对超声波在船舶距离测量领域的应用进行了研究，基于单片机控制系统设计了一种适用于中小型船舶的船舶超声波距离测量系统。本文对系统中核心硬件部分进行选型和设计，对软件工作流程进行设计与分析。系统采用单片机AT89C51作为系统的控制核心，同时系统增加了温度补偿模块，在很大程度上保证了测量精度，同时还配备了LED显示功能，可以让船舶工作人员能够直观的了解前方障碍物距离信息，掌握船舶当前的航行状态。该系统结构简单、实用，并且可以实现较高的测量精度。

参考文献:

［1］陈青彬．超声波液位检测报警系统在船舶上的应用研究［J］．船电技术，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］徐务农，边少锋，陈永冰．舰船避碰系统研究综述［J］．舰船科学技术，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］邱俭军，施国全，汪晴．锁相时差超声波流量计［J］．舰船科学技术，1996，18(6) :90－91 +94．

［4］张春光．基于单片机的超声波测距系统的设计［J］．机床与液压，．2008，36(7) :208－211．ZHANGChun-guang．Design of ultrasonic distance measurement systembased on microprocessor［J］．Machinetool＆Hydraulics，2008，36(7) :208－211．

［5］赵广涛，程荫杭．基于超声波传感器的测距系统设计［J］．传感器与仪器仪表，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．

作者简介:周叙国(1971－)，男，副教授，主要研究方向为人工智能应用。

收稿日期:2015－01－05;修回日期: 2015－04－07

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

中图分类号:U664．262

文献标识码:A