具有温度补偿功能的超声波测距系统设计

刘芹

摘 要：超声波测距系统运行过程中，环境温度会对测距系统的测量精度造成较大影响，为了降低环境温度波动对超声波测距系统精确度的影响，需要在测距系统中增加温度补偿系统。在具有温度补偿功能的超声波测距系统设计中，本文以单片机为控制核心，并使用温度传感器进行环境温度测量，从而实现在不同环境温度下的超声波波速确定，提高测量精度。

关键词：温度补偿；超声波测距系统；单片机

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.096

0 引言

相较于其他测距方式，超声波测距具有更高的电磁抗干扰能力，并且对空气质量和环境光照强度要求更低，另外由于超声波测距属于非接触测距技术，用途更加广泛，同时超声波测距系统可靠性更高，制造运行所需的成本更低，当前已经取得广泛使用。但是超声波对温度较为敏感，通过研究发现，当环境温度升高1℃时，声速下降0.607m/s。

1 超声波测距系统工作原理

超声波测距系统工作过程中，由超声波发射系统发出超声波，由接收系统接收反射回的超声波，当超声波发出后，测距系统中的计数器开始同步工作，当接收器接收到第一个反射信号后，计时停止，通过当前环境温度下的声速与计时时间的相乘计算即可实现距离测量。而要确定不同环境温度下的声速，可以通过以下公式确定声速：

在超声波测距系统设计中，可以将声速公式代入到距离计算公式中，则可通过环境温度和计时时间确定距离。

在具有温度补偿功能的超声波测距系统设计中，在超声波测距系统中加入温度传感器，并将测得的环境温度传入单片机，由单片机中的程序进行距离计算，通过显示屏进行距离显示，在系统运行中，由于充分考虑了环境温度因素，所以可以极大提升超声波测距系统的精确度[1]。

2 具有温度补偿功能的超声波测距系统设计

2.1 温度补偿系统设计

温度补偿系统中最重要的就是温度传感器选取和与系统的连接，需要保证温度传感器有较高的灵敏度和较强的抗干扰能力，在完成温度测量后，将测量值输入单片机中，由相关程序进行距离计算。本文选取了DS18B20温度传感器，传感器结构为两条数据总线，这两条总线能够实现温度转换和数据传输功能，在温度传感器运行过程中，可以将数据总线直接与单片机进行连接，将测量到的数据输入单片机中，在该过程中不需进行A/D转换，并且另一条数据线用于传输温度转换指令和读写指令。

2.2 超声波发射系统设计

超声波发射系统中的硬件为换能器、反相器和上位电阻，在超声波发射系统运行时，由输入端输入40kHz方波信号，通过一条两级反相器线路后，将声波送入换能器的一个电极，同时另一条路径的一级方向器也将信号传输到换能器的另一个电极上，通过这种电路的设计能够极大提升换能器发射信号的强度[2]。另外在超声波发射系统电路设计中，还需要在系统中增加上位电阻，上位电阻能够发挥提升换能器阻尼的作用，让换能器能够更好发生超声波，同时上位电阻能够大大缩短换能器的自由震荡时间，降低了系统误差。

2.3 超声波接收系统设计

对于超声波测距系统来说，反射回来的超声波具有更低的能量，所以在接收系统设计时，需要对接收到的信号进行放大操作，从而让系统能够更好地接收到超声波反射信号。另外超声波测距系统运行过程中，环境噪音也会对测距系统的灵敏度造成很大影响，所以在超声波接收系统设计时，需要在电路中设置滤波器，在降低环境噪声对测距系统灵敏度影响的同时，也让反射回来的超声波信号能够被更好接收和识别。本文在超声波接收系统设计中，采用CX20106A芯片作为接收电路，以实现反射信号放大、滤波、整波等多种功能。

2.4 显示和控制系统设计

在具有温度补偿功能的超声波测距系统设计和使用中，单片机为系统的运行核心，所以在系统建设中，需要保证单片机能够满足控制和计算要求，并且在仪器制造时，需要保证各线路能够与单片机实现正确连接，本文最终选用AT89C51单片机，将超声波发射系统和超声波接收系统进行正确连接。另外在超声波测距系统设计中，还需要能够显示测量数据，在以低能耗、低成本为指导思想选择合适的显示屏后，将显示屏与单片机上的相应接口有效连接，从而进行数据显示，另外在该过程中，还可以通过系统设置实现对数据显示尺寸的调节。

2.5 软件系统设计

在软件系统设计时，需要使软件系统具备初始值调整、时间测量和距离计算功能，在软件系统运行过程中，首先进行系统归零，当按下测量按钮后，计时器运行进行时间测量，同时调用温度测量程序，测量环境温度并进行温度转换，并且在按下测量按钮后，由单片机发射40kHz方波，经過信号放大后由换能器发射超声波。当反射的超声波信号被超声波测距系统接收到时，计时器停止计时，调用超声波测距系统中的计算程序进行距离计算。

在超声波测距系统设计和制造完成后，需要对系统进行测试，测试方法为在室内0.5m～5m范围内使用生产完成的测距系统进行距离测量，在测试过程中调整室内温度，将超声波测距系统的测量结果与实际距离相比较，从而确定超声波测距系统的测量精度，最终结果表明，该系统的测距误差低于1%，说明该系统能够满足距离测量的精确度要求。

3 结论

综上所述，在超声波测距系统运行过程中，由于温度会对波速产生较大影响，所以为提升测距的精确度，需要在系统中增加温度补偿系统。在具有温度补偿功能的超声波测距系统设计中，涉及温度补偿系统、超声波发射/接收系统、控制系统与显示模块、软件系统的设计，并且通过对系统的测试可以发现，具有温度补偿功能的超声波测距系统能够极大提升测距的精确度。

参考文献：

[1]王占选，赵冬娥，党浩淮，章晓眉，李颖.具有温度补偿功能的超声波测距系统设计[J].电声技术，2014，38（02）：35-37+59.

[2]兰羽.具有温度补偿功能的超声波测距系统设计[J].电子测量技术，2013，36（02）：85-87.