超声波传感实验教学设计研究

李劲松

(安徽大学 物理与光电工程学院，安徽 合肥 230601)

随着国家科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略的颁布与实施，涌现出了一系列新兴技术和新兴产业，且保持着高速发展态势。随着国际社会的快速发展，各行各业对人才的要求标准亦越来越高，从而使整个社会对人才培养和教育的要求亦越来越高。为深化工程教育改革，2017年2月20日教育部教高司函〔2017〕6号文件发布了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》，文件指南中指出“以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，对工程科技人才提出了更高的要求，迫切需要加快工程教育改革创新”。高等学校“光电信息科学与工程”专业是一门集光学、电子学、信息科学和工程科学的多学科交叉融合专业，具有较强的综合性和实践性。新工科背景下的人才培养模式，需要对传统工程教育的革新与突破，培养具有实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型人才。高等院校是加快工程教育改革创新与人才培养的重要基石，实践教育是提升学生创新能力和工程实践能力的重要途径。

超声波是一种频率高于20 kHz的声波，具有良好的方向性和穿透能力。除了空气，超声波还可在液体、固体等介质中广泛传播，因而在工业、国防、生物医学等领域被广泛用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。基于超声波测距的原理主要通过测量从发射端到接收端的时间差来测量到目标物的距离，在日常生产生活中应用越来越广泛，如智能小车和机器人、智能导盲系统、自动驾驶和泊车辅助系统等设备和系统中都用到超声波测距。鉴于超声波在各行各业中的广泛应用，结合国际CDIO教育模式中强调的主动性、实践性、课程之间有机联系性的教学方式，本文以CDIO教育理念为基本思路和框架，以安徽大学光电信息科学与工程专业培养方案这“集成光电器件工程训练”课程为例，利用商业化元器件和传感器结合可编程单片机和LabVIEW软件开展超声波传感系统的自主设计和实验研究，通过实现传感器信号的测量、采集、通讯、分析处理和实时显示、存储等过程，探索适合培养学生创新能力和工程实践能力的工程实训课程设计教学新模式。

如图1所示为超声波测距的原理示意图。

图1 超声波测距原理示意图

1 超声波测距原理

依据声速传播公式，通过检测超声波发射后由障碍物反射回来的回波信号，假设超声波从发射端到接收端的时间差为Δt，声波在已知介质中的传播速度为c，障碍物与发射端的距离为L，那么距离计算公式为：

L=c*Δt/2

(1)

由于声波在不同的介质中传播速度显著不同，且易受介质的密度、温度、湿度等因素的影响，尤其是温度的影响最显著。因此，精确计算测量距离时需要考虑温度效应，进行温度补偿。在已知温度T的情况下，超声波在空气中速度计算公式：

(2)

其中R=8.314 J/(mol·K)为理想气体常数，M是气体的摩尔质量，γ为已知压力和体积下的气体比热率。

2 系统总体设计

2.1 硬件设计

超声波传感系统硬件主要包括：传感器系统控制模块、超声波传感器模块和显示模块，控制模块主要是一个单片机系统，包括脉冲驱动信号产生、信号判断和分析处理、数据通讯等功能。超声波传感器模块包括超声波信号发射器、超声波信号接收器、信号控制和转换电路。显示模块主要用于实时显示测距数据等信息。本课程实验设计中，选用的系统控制模块为STC89C52型单片机，STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。超声传感器为HC-SR04型超声波测距模块，该传感器模块可提供2 cm～400 cm范围之间的非接触式距离感测功能，测量精度可达3 mm，模块包括超声波发射器、接收器与传感器控制电路。显示模块采用的是一种广泛使用的字符型液晶显示模块LCD1602A型，该显示模块采用标准的16脚接口。LCD1602液晶显示模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，可实现阿拉伯数字、英文字母、常用符号的显示功能。超声波测距系统整体设计示意图如图2所示。

图2 超声测距传感器系统设计流程图

测距过程，单片机主控模块首先向HC-SR04超声波传感器Trig管脚发送一个至少10 μs的脉冲信号，当HC-SR04超声模块接收到脉冲信号后，超声波模块内部会自动发出8个40 kHz周期方波信号驱动超声波发射器发射出超声波，并同时将Echo管脚置为高电平；当接收器检测到返回的超声波信号时，则将Echo管脚置为低电平，那么高电平持续时间就是超声波从发射端到接收端的传播时间。最后，利用上述超声波测距原理公式，即可计算出被测量障碍物的距离。

2.2 软件设计

LabVIEW作为一款集数据采集、分析及仪器控制等功能一体化的图形化软件，已成为虚拟仪器软件开发和实验仪器测控的主流编程语言。本实验设计中，为了实现人机更好的交流，利用LabVIEW和串口通讯协议开发了超声波测距系统上位机控制软件，如图3所示为超声波测距实时显示软件界面设计，无需配备高昂的数据采集设备，即可实现测量数据的实时采集、分析、处理显示等功能。

图3 LabVIEW超声波测距实时显示软件界面

基于LabVIEW软件开发编写的超声波测距系统上位机控制软件主要包括可视化显示前控制界面和算法实现过程的后面板。前控制面板包括串口通讯参数设置、测量距离控制、实时测量数据的显示等。LabVIEW数据库中VISA库函数是实现串口通讯的关键模块，VISA串口通讯模块通过配置串口将串口设置初始化，设定波特率、数据位、停止位、奇偶校验位、流控制、超时处理终止符和终止符使能等通讯参数。依据实际需要，可通过选择LabVIEW软件中的各类控件，实现测距过程中的各种功能。

3 试验验证与数据分析

见图4。

实际值/cm

通过完成以上所述各部分相关硬件集成、测试和软件程序编写之后，即可开展超声波测距系统的试验验证。为了减小实验数据的误差，测量过程采用多次测量结果平均值计算法统计测量数据。为了检验自行设计的超声测量系统运行效果，实验中利用卷尺作为参考标尺设定已知长度，以挡板作为障碍物，通过移动挡板与超声测距系统之间的间距，获得了不同距离条件下的测量结果。最终将测量结果导入Origin数据处理软件中，绘制的图形结果如图4所示，对结果进行线性拟合，统计分析结果显示两者具有很好的一致性，线性相关度系数R2=0.993 6。由测量结果可见，在较短距离范围内(5 cm以内)，测量结果误差相对较大，此原因主要受所用超声传感器自身性能限制所致。总体上，本文设计的超声波传感系统，结构简单、所需元器件少、测量精度良好，实验开展较为方便，可实现实时测距和语音播报等功能，可广泛地用于学生自主设计参考，通过软硬件结合，提升学生对光电器件和专业知识的掌握和应用能力。