超聲波智能測距系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

【摘要】基于傳統(tǒng)的方式在測距方面的缺陷以及不完善，本論文主要對高精度超聲波測距儀的原理，單片機的應用等進行了分析；在原來的基礎上對其測量精度做了大幅改進；并對系統(tǒng)進行誤差分析。

【關鍵詞】超聲波測距；高精度；誤差分析

Abstract：The traditional way based on the defects in the range aspect and not perfect，the main principle of high precision ultrasonic range finder，the application of SCM are analyzed；on the basis of the original on the measurement precisiongreatly improved；and the system error analysis.

Keywords：High precision；ultrasonic distance measurement；error analysis

1.引言

1.1 國內(nèi)外發(fā)展的概況

智能測距系統(tǒng)目前在國內(nèi)有一定的研究水平，多用于汽車工業(yè)以及智能機器人的導航系統(tǒng)和相關領域。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。

超聲波由于指向性強、能量消耗緩慢且在介質中傳播的距離較遠，因而經(jīng)常用于距離的測量。它主要應用于倒車雷達、測距儀、物位測量儀、移動機器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場等，例如：距離、液位、井深、管道長度、流速等場合。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便，且計算簡單、易于做到實時控制，在測量精度方面也能達到工業(yè)實用的要求，因此得到了廣泛的應用國內(nèi)這一類的測距技術較為完善，但是這類系統(tǒng)外圍電路相對復雜，顯示部分不夠形象，而且精度不高，大部分停留在厘米級別。

1.2 系統(tǒng)的功能、性能要求

本設計“高精度超聲波智能測距系統(tǒng)”能夠實現(xiàn)2cm-4m范圍內(nèi)的精確測量功能，精度可達0.1mm，LCD液晶屏漢字顯示功能，以及距離分段報警功能。實物體積小、功耗低、便于嵌入到其他系統(tǒng)，具有一定的使用價值。

2.系統(tǒng)結構

2.1 系統(tǒng)結構框圖

圖1 系統(tǒng)結構框圖

2.2 基本工作原理

通過單片機驅動程序在P1.2口產(chǎn)生40KHZ的方波經(jīng)調(diào)解電路驅動超聲波發(fā)射探頭發(fā)生，遇到障礙物經(jīng)反射由P1.1口超聲波接收探頭接收；經(jīng)單片機內(nèi)部定時電路計算時間，從而導出障礙物距離探頭的距離由接在P0端口的LCD12864顯示；距離閾值分為0-1m；1m-1.5m；1.5m以上三段不同頻率報警。

圖2 傳感器電路

3.硬件設計

超聲波傳感電路：

（1）采用IO觸發(fā)測距，提供至少10us的高電平信號；

（2）模塊自動發(fā)送8個40kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；

（3）有信號返回，通過IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=（高電平時間（340m/S））/2；如圖2所示。

4.軟件設計

4.1 流程圖

圖3 程序流程圖

4.2 程序執(zhí)行過程

（1）單片機初始化；

（2）檢測有無回波；

（3）定時初始化；

（4）發(fā)送超聲波；

（5）關閉外部中斷，讀取時間，計算距離；

（6）判斷是否超過閾值，是否報警。

循環(huán)執(zhí)行程序。

5.調(diào)試

實驗的主要誤差來源于系統(tǒng)誤差，包括對真值確定時的系統(tǒng)誤差、人為操作不規(guī)范而引起的誤差以及環(huán)境干擾而引起的不可避免的誤差等。

本次設計采用的是HC-SR04超聲波傳感探頭，對其測距性能的范圍要求為4cm-4m，故實驗是選取的測量距離是在其有效地測量范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)測量。

就超聲波探頭的有限范圍內(nèi)的相對誤差分析在0-2.667%的范圍內(nèi)，測量精度高，實現(xiàn)了0.1mm的小距離測量。

6.結論

本設計采用LCD12864能夠做到實時顯示；與傳統(tǒng)的測距電路設計比較，本次設計優(yōu)化了電路結構，使電路結構更加簡單，并且采用的元器件價格便宜，所有功能均能實現(xiàn)，其在原有測距范圍4cm-4m的基礎上，提高了測量的精度，可達到0.1mm的小距離測量，而且效果得到明顯的改善。系統(tǒng)功耗明顯降低，因此性價比相對較高。測量結果及誤差分析如表1所示。

參考文獻

[1]袁東.51單片機應用開發(fā)實戰(zhàn)手冊[M].電子工業(yè)出版社.

[2]沙河.電子線路CAD實用教程[M].

作者簡介：

黃坤（1992—），男，碩士研究生，現(xiàn)就讀于青海民族大學物理與電子信息工程學院，研究方向：通信工程。

張凌飛，畢業(yè)于西安電子科技大學，青海民族大學物理與電子信息工程學院講師。