一種高精度超聲波測距系統的設計

張 禾 李俊蘭 葛 亮 胡 澤

(西南石油大學電氣信息學院1，四川 成都 610500;中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司2，四川 成都 610041)

0 引言

超聲波在傳輸過程中具有不易受干擾、能量消耗緩慢、在介質中傳播的距離較遠等優點，因而超聲波經常用于距離的測量［1］。因為超聲波測距是非接觸式的，所以它可以在某些特定場合或環境比較惡劣的情況下使用。如在低滲氣藏微流量監測過程中，需要實時對井徑進行測量。超聲波測距是一種非接觸式距離測量的方法，伴隨著虛擬儀器技術的發展而發展，它克服了傳統的測距方式在井下惡劣環境距離測量中存在的缺陷。因此，結合虛擬技術研究超聲波測距技術具有十分重要的現實意義。

1 超聲測距原理及系統組成

超聲波是指頻率高于20 kHz的機械波。為了將超聲波作為檢測手段，必須產生超生波和接收超聲波［2］。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器分為發送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化［3］。

超聲波測距系統組成如圖1所示。

圖1 系統組成框圖Fig.1 Block diagram of system composition

整個測距系統以單片機為核心，系統開始工作時，由單片機發出一個控制信號去觸發發射電路，使發射電路起振，發生器產生振蕩波。電能的振蕩波通過換能器轉變成機械能的超聲波，當超聲波到達被測目標時發生反射，換能器根據壓電原理將超聲波信號轉換為電能信號［4］。信號經放大濾波電路處理，送至單片機系統進行時間的測量和距離的計算。單片機系統與計算機之間進行串口通信，由LabVIEW軟件程序對計算機接收到的數據進行處理，實現數據的實時顯示、存儲、報警和打印等功能［5］。為實現高精度測量，考慮溫度對超聲波速度的影響，通過溫度變化將聲速作相應的處理，對最終測試結果進行校正。此外，為實現近距離的高精度測量，單片機根據距離自動調整超聲波頻率。

2 硬件電路

2.1 溫度檢測

超聲波測距原理的表達式如下［6］:

式中:V為超聲波在空氣中的傳播速度，0℃時為331 m/s、25℃時為347 m/s;T為環境濕度。由此可見，聲速與溫度有著密切關系。實際應用中，如果溫度變化不大且無特殊要求，可認為聲速基本不變，否則必須進行溫度補償［7］。溫度測量主要采用測溫電路來實現，設計中采用鎧裝LM35實現［8］。溫度傳感器將測得的數據送入單片機，單片機就會根據溫度變化對聲速作相應的處理，并對最終測試結果進行校正。

2.2 發射電路設計

超聲波發射電路主要由555振蕩器和1個共發射極放大電路構成，如圖2所示。555定時器為一多用途模數混合集成電路，本設計利用該特點構造了多諧振蕩器，它能產生頻率為40 kHz的波形。為了提高測量精度和單片機的計時精度，在555振蕩器后面外加了1個共射極放大電路，以作為受控開關使用。

圖2 超聲波發射電路Fig.2 Ultrasonic transmitting circuit

2.3 接收電路設計

超聲波接收器主要由超聲波接收探頭和紅外線檢波接收集成電路兩部分組成。超聲波接收電路如圖3所示。

圖3 超聲波接收電路Fig.3 Ultrasonic receiving circuit

CX20106A是日本索尼公司生產的彩電專用紅外遙控接收器，采用單列8腳直插式，超小型封裝，5 V供電。當超聲波接收探頭接收到超聲波信號時，壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉化成電信號。紅外線檢波接收集成芯片CX20106A接到電信號后，對所接收到的信號進行識別，若頻率在38～40 kHz左右，則芯片將輸出低電平，否則將輸出高電平［10］。當接收電路輸出端產生負脈沖時，單片機INT0端產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。

2.4 串口通信

串口通信對單片機而言意義重大，其不但可以實現將單片機的數據傳輸到計算機端，而且能實現計算機對單片機的控制。由于計算機的串口是RS-232電平，而單片機的串口是TTL電平，因此，要實現通信，兩者之間必須有一個電平轉換電路。本系統使用的串行通信芯片為MAX3222，在保持RS-232協議輸出電平的前提下，MAX3222可確保120 kbit/s的數據傳輸速率。

3 軟件設計

系統軟件分為單片機軟件和計算機軟件兩個部分。單片機軟件使用匯編語言進行編寫，主要實現時間的測量和距離的計算功能。計算機軟件使用LabVIEW的圖形語言編程，實現數據的實時顯示、存儲和打印等功能。主單片機軟件程序主要由主程序、溫度采集子程序、發射子程序、計算子程序、外部中斷子程序和定時器中斷子程序組成。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flowchart of the main program

主程序完成初始化后調用發射子程序，置單片機P1.0為高電平，發射超聲波信號，然后開啟計數通道。為防止串繞波，延時1 ms，等待接收回波。當P3.2為低電平時，檢測到回波，調用測溫子程序，采集超聲波測距時的環境溫度，并換算出準確的聲速v。單片機再調用計算子程序，計算出傳感器到目標物體之間的距離。這樣即完成一次測量。單片機與計算機進行串口通信，利用LabVIEW圖形語言編程實現數據的實時顯示、存儲、報警和打印等功能。

4 系統測試結果和分析

當距離比較近時，發射探頭與接收探頭的距離會影響測量的精度。如實際距離為3 cm，兩探頭之間的距離為3 cm，利用勾股定理可以計算出實際距離應為3.35 cm。隨著測量距離的增加，誤差將減小。當測量距離大于9 cm時，誤差基本不變且保持在1 mm之內。由于接收電路產生的第一個負脈沖寬度為1 ms左右，在負脈沖期間接收到回波時，接收電路無法把兩次脈沖分開，使得在距離為18 cm以下時無法測量。測試過程中通過改變超聲波發射頻率來實現近距離的測量。系統測試結果如表1所示。

表1 系統測試結果Tab.1 Test results of the system

5 結束語

本文設計的高精度超聲波測距系統具有結構簡單、體積小、抗干擾性強等優點，若要滿足更高的精度要求，還需進行適當改進。為實現近距離的高精度測量，單片機根據距離自動調整超聲波頻率。設計由各個單元模塊化組合，可移植或構建到其他系統中，還可以根據需要修改子程序，靈活性較好。此外，系統與虛擬儀器開發軟件LabVIEW相結合，達到了直觀、方便的效果，實現了功能多樣化。

［1］張紅蓮.基于單片機的超聲波測距系統的設計［J］.PLC＆FA，2008(9):89－91.

［2］黃曉紅，范曉志，蔡建平.超聲波測量電路設計［J］.河北理工學院學報，2002(S1):15 －18.

［3］曹茂永，王霞.超聲測距數字信號采集系統［J］.電測與儀表，2000(8):26－27.

［4］劉鳳然.基于單片機的超聲波測距系統［J］.傳感器世界，2001(5):29 －32.

［5］丁鷺飛，耿富錄.超聲原理［M］.3版.西安:西安電子科技大學出版社，2002:25－33.

［6］張易剛，彭喜元，譚曉昀.CS-51單片機應用設計［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2006:45－50.

［7］李嚴，張民.基于超聲波傳感器的水位自動控制系統［J］.微計算機信息，2009(13):134－136.

［8］李飛，陳峰.基于BP神經網絡的超聲測距誤差補償［J］.傳感器與微系統，2006(6):31－33.

［9］張和生，宋明耀.提高超聲測距精度的設計［J］.電子產品世界，2004(13):87－89.

［10］滕艷菲，陳尚松.超聲波測距精度的研究［J］.國外電子測量技術，2006(2):23－25.