基于单片机的超声波测距系统的设计

摘要：基于超声波实现无接触式测距原理，介绍了一种基于单片机控制的超声波测距系统的设计方法。由单片机软件产生40kHz超声波，并测量回波时间，可精确到us级。为提高测距精度，采取了温度补偿、角度补偿措施。实验表明系统具有较高的测量精度和实用价值。
关键词：起声波；测距；单片机

O 引言
    超声波是指频率大于20 kHz的在弹性介质中产生的机械震荡波。由于超声波频率较高，穿透力强，指向性强，传输过程中衰减少，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，遇到杂质或分界面时会产生反射波，因此常被用于非接触式测距。并且超声波对光线、色彩和电磁场不敏感，因此超声波测距对环境有较好的适应能力。广泛应用于汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量、管道长度测量等需要自动进行非接触测距的场合。

1 超声波测距原理
    Pellarn和Galt于1946年提出了脉冲回波法，其工作原理是：用超声脉冲激励超声探头向外辐射超声波，同时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射程时间ToF(Time of Flight)，按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离d，即
    
    其中。c为声波在空气介质中的传播速度。

2 系统构成
    本系统硬件电路由单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、测温电路、显示电路、报警电路等构成，如图1所示。

3 系统程序设计
3．1 主程序
    主程序首先对系统环境初始化，设置定时器TO工作模式为16位定时／计数器模式，总中断允许位置1并给显示端口清0；然后调用超声波发生子程序送出若干个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起直射渡触发，从发射开始一直到“虚假反射波”结束这段时间内，不开放外部中断(INTO)申请，便可有效躲避干扰，但同时也会造成测试“盲区”。假设延时约0．1 ms后，才打开外部中断接收返回的超声波信号，当温度为20℃，测量盲区为d=1×10-2×344=1．72 cm。
3．2 超声波发生子程序和接收子程序
    超声波发生子程序的作用是通过P1．0端口发送超声波换能器所需的40kHz的方波信号(脉冲宽度为12μs左右)，同时把计数器TO打开进行计时。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行准确，所以采用汇编语言编程。
    超声波接收子程序利用外部中断O检测返回超声波，一旦接收到返回超声波信号(即INT0引脚出现低电平)，立即进入中断服务子程序，关闭定时器TO停止计时，并将测距成功标志位赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则说明障碍物过远，超出量程，将关闭外部中断，并标志此次测距不成功。
    最大测试距离将取决于：两次脉冲群发送之间的最小时间间隔和脉冲的能量。一般来说，发射端脉冲个数越多，能量越大，所能测量的距离也越远。但也不是无限制的，本方案是读取定时器TO的计数值，最大能测试的距离是TO尚未溢出时检测到超声波回波信号，故在温度20℃下，最大测试距离为。在一些周期性发射超声波设备中，如果要测试的最大距离是10 m，则两次脉冲群之间的最小时间为。
    由于采用12 MHz的晶振，机器周期为1μs，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器TO中的数值按式(1)计算，即可测得被测物与测距仪之间的距离，取20℃时的声速为344 m／s。则有：
    
    其中，TO为计数器TO的计数值。

4 提高测量精度
4．1 温度补偿
    由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，可认为声速基本不变。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

    可知，超声波在空气中的传播速度与温度T(单位：摄氏度)有如下近似关系：
    
    其中，C0为0℃时的声波速度为331．45 m／s，T为实际温度(℃)。在常温下，温度每变化1摄氏度，超声波速度变化约为O．6 m／s，所以通过测温电路测量出当前温度，就可以计算出超声波在当前温度下的传输速度。
    测温电路采用的主要元器件是美国Dallas半导体公司生产的单总线数字温度传感器DSl8B20，其具有精度高、智能化、体积小、线路简单等特点。
4．2 角度补偿
    由于发射与反射之间存在一定的夹角2α，当α很小时，可直接按式(1)计算距离；当α较大时，则必须进行距离修正，其修正公式为：
    
    在式(4)中，夹角α与超声波发射装置和接收装置的安装位置有关，在实际应用中应保持两换能器中心轴线尽量平行并相距2 cm～4 cm，在近距离测量时更要考虑角度补偿。若能够将超声接收电路屏蔽起来，则可提高抗干扰性能。根据测量范围可适当调整与接收换能器并接的滤波电容的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。

5 结论
    为防止在测量过程中测距仪的抖动而引起的测量误差，一般情况下应测量几次取其平均值。由于系统的分辨率为1μs，系统引起的固定误差约为0．3mm，再加上本设计只考虑了温度补偿和角度补偿的影响，而没有考虑其他环境因素(如：气压、湿度……)的影响，所以在测量的时侯给测量结果带来了一定的误差。