温度修正的超声波测距系统

徐秀丽+刘美丽+王丹

摘要本文设计了一个以单片机为主控制器、蜂鸣器作为报警模块、温度传感器为测距补偿模块的超声波测距系统。单片机通过对超声波发出和返回的时间，并考量温度对超声波速度的影响，计算并显示障碍物距系统的距离，当小于预设安全阈值时发出近距离报警提示。

关键词单片机；超声波测距；温度补偿；报警

超声波测距应用广泛，如用于车辆中，可以一定程度的避免新手对车距把握不准确的问题，和倒车中减少车辆的刮擦事故，倒车过程中存在视觉盲区导致驾驶员无法观察到盲区的路面状况，且与车辆后方障碍物的距离无法准确判断，仅依照经验判断距离不能避免事故的发生。基于此，鉴于超声波指向性好，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常被用于距离的测量。超声波是一种频率在20KHz以上的声波，作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性：反射、折射、干涉、衍射和散射，与物理联系紧密，应用灵活。利用超声波测距往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。司机在需要时可启动该装置，单片机控制分散在车后的超声波发射器发射超声波，当遇到障碍物后会产生反射回的超声波，被超声波探测器吸收，通过单片机计算后，在数码管上显示出车与障碍物的距离，当距离小于安全距离时，控制蜂鸣器发出报警，从而减少刮擦、碰撞事故的发生。

由于激光测距方式适应恶劣天气的能力较差且容易受到雨、雪、雾等环境因素的影响，而本设计中的装置要求能适应通常天气状况，同时为了实用，尽可能降低成本，因此选择超声波测距方式。单片机控制超声波发射器发射出超声波，同时计时器启动计时，超声波在空气中传播，当遇到障碍物发生反射，反射回波被超声波接收器接收到时，令计时器停止计时，所计时间为t，己知超声波在空气中的传播速度为340m/s，由式：s=340xt/2，可测得系统与障碍物距离，单位为m。超声波因其在不同温度下传播速度有差别，考虑温度变化对超声波传播速度产生的的影响（表1），需要在测距时对超声波传播速度进行修正，从而减小温度对测量带来的误差。超声波在空气中传播速度与温度的关系式：V=331.4+0.607T，其中，为温度，单位为℃，V为超声波在空气中的传播速度，单位为m/s。

为提高系统在测量时的精度，采用单总线数字温度传感器DS18820，根据温度值范围选取表1中合适的声速值进行测距计算，但由于温度参量是模拟变化的，并且温度值常常有非整数的情况，因此，求超声波的传播速度还是需要进行温度补偿计算，才能得到一个相对精确的距离值。修正后的测量距离：s=（331.4+0.607T）xt/2，单位为m。由于DS18820具有体积小、使用方便、精度高等特点，将它作为修正声速的温度补偿传感器。超声波测距模块采用HC-SR04超声波模块，该模块可提供2cm～400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm，对于一般的车辆倒车与交通拥堵时车距的测量，此精度是满足需求的。单片机为Trig引脚提供10μs以上的脉冲触发信号，超声波传感器内部将发出8个40KHz周期电平，同时自动检测回波，一旦检测到有回波信号则输出Echo信号，Echo信号脉冲宽度与所测距离成正比。利用单片机定时器计得发射信号到回波信号的时间，可计算出距离s值。为了防止超声波传感器自身的发射信号和回响信号互相影响，测量周期至少60ms以上。测距时，被测物体面积不少于0.5㎡且平面尽量要求平整，这样测量结果将更精确，这是由于传感器外形上发射信号端和接收回响信号端距离较近，且测量夹角为15°，这样对于被测物体面积将有要求，若面积过小，则测量的灵敏度将下降，即需要缩短与被测物间的距离，并且被测物表面若不是平面，比如转弯处或有一定圆度/角度处，则会影响接收器的接收，可安放多个超声波传感器于特定位置，通过算法取其最优值，提高测量准确度。排除冬季车库的室内外温度差对声速的影响，一般情况下在温度起伏不大的情况，可以考虑略过重复读温度值的这一流程，系统可以在此进行进一步的改进，以提高系统测距反应时间。