基于时差测距原理的超声波测距系统的设计

邵扣宗

（江苏省靖江中等专业学校，江苏 靖江214500）

0 引言

超声波作为一种检测技术，采用的是非接触式测量，此特点可使测量仪器不受被测介质的影响[1-2]。这就大大解决了在粉尘多情况下，给人类引起的身体接触伤害，腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀，触点接触不良造成的误测情况。且对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，使用寿命加长，而且还降低了能量消耗，节省人力和劳动的强度。无论从精度还是从可靠性方面，超声波测距做得都比较好[3-4]。利用超声波检测即迅速，方便，计算简单，又易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,具有广泛的发展前景。

这些年来，随着超声波技术研究的不断深入，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海等工业领域。目前国内专用超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度[5-8]。

1 超声波测距原理

本硬件设计采用超声波往返时间检测法，其原理为：检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。而所测距离是声波传输距离的一半，即∶

在上式中，L为待测距离，v为超声波的声速，t为往返时间。由下式计算测量误差;

式中，σL为测距误差，v为声速，σΔt为时间测量误差，σv为声速误差。

2 超声波测距系统的硬件设计

发射电压从理论上来说是越高越好，因为对同一只发射传感器而言，电压越高，发射的超声波功率就越大，这样能够在接受传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的设计就相对简单一点。但是，每一只实际的发射传感器有其工作电压的极限值，会对传感器的内部电路造成不可恢复的伤害。

发射部分的点脉冲电压很高，但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度，最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。

图1 超声测距硬件结构图

2.1 发射部分

（1）发射波形

发射部分用单片机产生40kHz的方波，然后加以驱动。波形经过放大后发生轻微变化后送至发射传感器发射出的信号，理论上是稳定变化的，为使传感器充分震荡，发射脉宽不可以过小，一般来说我们选择40kHz的方波信号，但是实际情况是我们可以得到频率为39kHz到40kHz之间的信号。

（2）发射电压

传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收器的灵敏度。在发射端电源处极其容易产生干扰，可以选择适当大小的电容进行滤波。设计的发射电路如图2所示。

图2 超声波发射放大电路

2.2 接收部分

在传感器接收的信号中，除了障碍物反射的回波外，总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声。环境噪声主要集中在低频段，远离回波信号频率。因此系统的总噪声系数主要有接收机的内部噪音决定，其功率谱宽度远大于接收机的通频带，而且内部会产生一个有用信号频率基本相同，只有辐值不同的信号，可以使用一些特殊的电路将其隔离。接收电路如图3所示。

图3 接收电路

2.3 检测单元

接收信号放大到2V左右时，就可以进行信号检测，信号检测的目的是确定接收信号的到达时间，这是整个电路一个关键的地方。因为它不仅决定系统的测量精度，还关系到整个系统是否能正常工作。

检测电路设计的要求是保证每次接收信号都能被准确的鉴别出来转换成数字脉冲去触发单片机的外中断引脚，通常采用某一固定电平或滑动门限电平作为比较电平，以零电作为比较电平是行不通的。这样一来，即使没有接收信号，也会造成比较器反复触发，从而无法判断那个信号是真正的接收信号。若采用某一高于一般噪声峰值的固定电平，这样就可以消除一般噪声的影响，而且比较电平固定，可以实现对电路信号的准确检测。

2.4 显示单元

显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要用到显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使用LED发光二极管，给出一个简单的开关量信息。

2.5 声速校正

要想通过测量超声波传播时间确定距离，声速C必须恒定。实际上，声速随着介质、温度、压力等变化而变化。一般情况下，由于大气压力变化比较小，因此传播速度主要考虑温度的影响。通过温度修正，即根据声速与温度的关系计算出测量时实际环境中的声速，再根据测距公式得到距离。空气中声速C与温度T的关系在常温下可以用公式（3）表示。

2.6 干扰问题的解决方法

干扰主要是外界高频噪音及电源等对信号产生的干扰。由于这类干扰信号尤其是电源干扰信号和有用信号极其相似，因此不容易检测出回波信号。针对这样的干扰信号，可以通过选择合适的元器件，加之滤波电路就可以消除干扰。

3 超声波测距系统的软件设计

3.1 信号控制

在系统软件中，要完成接收控制信号、发射脉冲信号、峰值采集信号的时序及输出信号处理后的显示等。

3.2 数据存储

为了得到发射信号与接收回波间的时间差，要读出此刻计数器的数值，然后存储在RAM中，而且每次发射周期的开始，需要计数器清零，以备后续处理。

3.3 信号处理

用超声频脉冲激励超声波探头，使之向外界辐射超声波，并接收从被测物体反射回来的超声波(简称回波)，通过检测或估计从发射超声波至接收回波所经历的时间段t(称为射程时间)，然后按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离L，即

式中，C为空气介质中声波的传播速度。

由式（4）可知，当传播介质的温度发生变化时，声的传播速度。也随之改变。因此，在超声波测距仪中均内置温度探头，用于实时检测声传播介质的温度，以补偿环境温度变化对测距精度的影响。为了改善超声波测距系统的性能，仅仅从系统的硬件入手是不够的，还必须研究与硬件系统相适应的测量信息处理方法。

在此超声波测距仪的设计中，RAM中存储的计数值不能作为距离值直接显示输出，因为计数值与实际的距离值之间的转换公式。

其中，t为发射信号到接收信号之间经历的时间，Tr为方波信号作为计数脉冲时计数器的时间分辨率，N为计数器的值。

3.4 数据输出与显示

经软件处理得到距离传送的四位LED显示。

由于距离值的得到及显示是中断子程序中完成的，因此在初始化发射程序后进入中断响应的等待，在中断响应的之后，原始数据经计数值与距离值换算子程序，二进制与十进制转换后显示输出。

整个系统软件功能的实现可以分为主程序、子程序、中断服务程序几个主要部分。

3.5 超声波测距系统软件流程图

图4 测距系统软件流程图

4 结论

基于时差测距原理设计了8051单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距系统，给出了原理框图和硬件各部分的实现，并进行了软件设计。在本设计方案中还存在着一些不足，例如环境温度的变化将影响超声波在媒质中的传播速度受温度影响造成的误差无法消除。

［1］卜英勇,王纪婵,赵海鸣,等.基于单片机的高精度超声波测距系统[J].仪表技术与传感器,2007,3∶66-68

［2］马大猷.现代声学理论基础[M].北京∶科学出版社,2004.

［3］曹建海,路长厚,韩旭东.基于单片机的超声波液位测量系统[J].仪表技术与传感器,2004(1)∶39-40.

［4］赵海鸣,卜英勇,王纪婵.一种高精度超声波测距系统的研制[J].矿业研究与开发,2006(3)∶62-65.