基于单片机设计超声波测距系统的简述

蒋礼林 李宇

摘 要：随着社会的不断发展与进步，带动了科学技术的迅速发展，同时科学技术应用于军事和民用的各个领域，给人们的生活带来了极大的方便。基于单片机设计的超声波测距系统充分利用了超声波的各项特点能为人们的应用提供极好的服务。由于测距在很大程度上依赖于方向，而超声波具有强束射性的特性，所以它被广泛用于测距系统中。采用超声波测距具有快速、便捷、易于计算和实时监控的优势，并且能满足工业上对测量精度的要求，从而它已被广泛应用于汽车安全系统、海洋检测和机器人等领域。本文简述了基于单片机设计超声波测距系统的相关研究，并有利于从事该项研究的人员进行分析与参考。

关键词：单片机设计;超声波测距系统;束射性;海洋检测

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.131

0 引言

随着现代科技的蓬勃发展，超声波已广泛应用于各类传感器。由于捕获信息途径的多样化，只靠单一传感器采集的信息具有精度差和不完整的缺点，从而容易导致信息发生偏差或错误。然而，基于超声波技术的传感器具有准确性高和完备性好的特点，能很好地弥补单一传感器数据采集的缺陷。在超声波测距体系中，由于信息表现形式的多样性、信息数量的巨大性、信息关系的复杂性以及获取信息处理的及时性和准确性，已远远超出了人脑的对信息综合处理能力。因此，基于单片机设计的超声波测距系统具有广泛的应用领域，能为人们的生活提供广泛的服务。

1 基于单片机设计的超声波测距系统的重要性

伴随着科学技术的迅猛发展，传感器广泛应用于超声波技术的实例越来越多，这是人类文明走向科技发展道路的体现。传感技术在科学技术变革中扮演先行者的角色，它体现了整个技术领域的关键技术。鉴于世界各国有关研究、生产、应用部门中，传感器是发展最快的产业之一。基于单片机设计的超声波测距系统的基本思想就是利用超声波的时间和速度之间函数关系计算被测物体的距离，并用超声波来代替传感器，最终实现对距离的测量，并对测距系统的效果有较好的影响。近年来，国外和国内团队加强了超声波测距系统的研究，极大地提升和完善了超声波测距系统的应用。测量模型建模方法具有多样性，然而如何选择可测变量、怎样对测量数据进行处理以及如何对数据库进行在线更新等等就成为了超声波测距的关键步骤。超声波在传感器中作用的分析如下：

（1）超声波测距与同类型非接触式的测距方式（如电磁法、光学法）相比较，电磁法虽然不会受到光线强弱的干扰，但是会受到磁场的影响;而超声波测距法具有避免光线强弱、物体大小以及周围电磁的干扰的优势性。超声波测距系统对于测量目标所处的环境有一定的适应能力，已被广泛应用于各种条件的测量，主要体现在液位测量、机械手控制、车辆自动导航和目标识别等方面，特别是在空气中的使用最为突出。

（2）超声波是一种目标性强，能量损耗较慢的声波，它可以在各种介质中进行，并且运行距离也比较远，超声波通常被用于距离的测量，特别是距离较远的测量工作。

（3）超声波是一种具有反射，折射，散射等声波传送的物理性质的声波，它不仅可以与物理产生灵活、紧密的联系，还可以对温度、粉尘浓度和湿度以及电磁干扰较高的环境下工作。通过计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传播距离来进行距离的测量，超声波的速度不会受到频率的影响。超声波的优势越来越被人们所喜爱。

2 基于单片机设计的超声波测距系统的工作原理

（1）超声波测距系统的工作原理是通过将单片机发出的短暂的脉冲信号进行放大后利用超声波换能器将能量输出，再将超声波换能器反射回来的信号输入到系统和信号处理，并通过单片机计算出时间，再由系统将数据进行判断，最后将判断后的数据通过LED显示电路显示出来。这个过程主要是由单片机系统、超声波发射和检测电路完成。超声波发射器负责让超声波在空气中以特定的速度（v）传播，在触碰到检测物体后又通过被测物体将信号反射回来，由接收机记录接收的时间（t）和信号，最后由速度和时间的关系计算出被测物体的距离。由于超声波的速度会受到温度的影响，所以在进行检测时需要注意对温度的控制。

（2）超声波测距系统的发送与接收电路的设计是由超声波产生信号，并通过单片机的端口将脉冲群发送（每个脉冲群维持的时间约为1/5000s），再通过三极管将信号进行放大，然后经过变压器驱动超声波发射头，之后在发射转换能的两端加上高电压驱动内部的压电晶片，最后通过压电换能器将脉冲超声波发出。当超声波触碰到被测物体时就会形成反射波，同时反射波会将信息返回到传感器上，最后传感器再将传回的信息进行处理显示。

超声波传感器的主要指标如下：

1）传感器工作的频率就是指压电晶片震动的频率，当发射转换能两端频率与压电晶片频率越接近时，输出的能量也就越大灵活度也就越高。

2）传感器工作时的温度取决于超声波使用时的功率，特别是用于医疗诊断的超声波探头，超声波探头的功率越小，工作的温度也就越低，可以保证超声波能够长时间使用。

3）传感器工作时的灵活度取决于压电晶片制造是机电耦合系数的大小，机电耦合系数越大，那么灵活度就会越高;反之，机电耦合系数越小，灵活度越低。

（3）超声波发送的脉冲信号是由单片机产生的，脉冲信号通过三极管将之放大到一定程度在用驱动超声波换能器将超声波发射出去，再有脉冲超声发射返回的时间計算出被测物体的距离。超声波的发射利用了逆电压效应，在压电晶片上施加一定的作用力，使压电晶片产生相互作用力从而推动超声波发射。

3 超声波的算法分析

如表1所示为不同温度下的超声波声速，如超声波发生器在某一时段发出超声波信号，当超声波接触到被测物体时就会反射回到超声波接收器中，这样只需要计算超声波发出和反射回来的时间，就可以计算出超声波发生器与被测物体的距离，距离测算公式为：。d代表的是被测的距离，s表示声波发射和返回的路程，v表示超声波的速度，t表示超声波发出到返回的时间。超声波往返的时间与温度之间有着密切的联系（见表1）。如果温度的变化不是很大，则可近似认为超声波的速度保持不变，如能够确定超声波来回的时间，最后就能够确定超声波发生器与被测物体的距离。

4 超声波测距系统误差分析

4.1 超声波的声速对测量精确度的影响

准确确定超声波的声速是保证测量精确度的首要条件，因为传播介质的温度、压力和密度都会对超声波的声速造成不同程度的影响。传播介质中超声波速率的变化对超声波测距精确的影响因素分析如下：

（1）传播介质的中温度对超声波声速的影响。声波在大气中传播时，温度的变化是造成超声波声速变化的主要原因。可以利用设定声速和结合控制传播介质的温度来对声速进行修改，此方法可有效减小因传播介质温度的变化带来的误差。如果对测量精确度要求不高时，可不用对温度进行调节。一般情况，当温度为20℃左右时，波速度可取340m/s作为定量计算;当温度在-10℃～40℃之间变化时，超声波声速的误差在-5%～5%之间变动。如果测量的地点是在室外，可以将该地区不同季节的温度变化做一个统计，再根据测量精度要求对温度进行一定的调节，这样可以减小测量误差和节约成本。

（2）传播介质的中空气密度对超声波声速的影响。当空气的密度增大时，可知超声波的聲速就会变大，反之，当空气的密度减小时，超声波的声速就会变小。另外，空气密度和温度也存在一定的关联。超声波声速与温度之间关系可表示为：

其中，d表示超声波测出的距离，v表示超声波在传播介质中的声速，v0表示温度为零摄氏度时超声波的声速332m/s，t表示超声波发出到返回的时间，T（℃）表示传播介质的温度。另外，近似公式：v=v0+0.607×T，其中v0表示温度为零摄氏度时超声波的声速332m/s，T表示测量时的传播介质的实际温度。如果超声波测距的精确度要求是在1mm的话，那么必须考虑将超声波的速率与环境温度之间的关系。比如当温度在零摄氏度时，超声波的声速是332m/s，当温度在30℃时超声波的声速是350m/s，可知当温度每增加30℃超声波声速相应增加18m/s。如果环境温度保持在0～30℃之间，则测量距离为100m的误差约为5m。

4.2 时间误差对超声波测距精确度的影响分析

如果超声波测距的精确度要求是在1mm时，当室温为20℃时超声波声速取344m/s，忽略声速的误差，测距的时间约为2.907μs。在超声波声速值是准确的条件下，只要将测距的传播时间的误差限定在微秒（μs）范围内，就可以保证测距的精确度小于等于1mm。

5 结束语

随着科技和经济的不断进步与发展，人们对于超声波的运用已越来越广泛。如今在我国大部分基于单片机设计的超声波测距系统已经使用进了全新的方法，不仅提高了我国工业的经济效益，在更大程度上对于我国的工业发展有着很积极的作用。全球经济化使得社会不断地向前发展着，为了能够提供更多更好的合理化超声波测距技术，就必须先了解其性能，同时对其发展趋势做出合理的分析，进而对产品进行创新性改进和设计，满足市场的需求。总之，根据目前社会发展和全球一体化发展的趋势下，必须要创新性地设计和优化超声波测距系统，才能够让基于单片机设计的超声波测距系统在未来得到更好的发展。

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基金项目：广西省高等教育本科教学改革工程项目，编号：2012JGA217。

作者简介：蒋礼林（1978-），男，壮族，广西桂林人，研究生，副研究员，研究方向：基于虚拟实验和电子系统设计。