高精度超聲測距系統設計

黃 麗

(武漢鐵路職業技術學院，湖北 武漢 430023）

0 引言

超聲測距系統是現代工業、鐵路、勘探以及消費電子系統中不可缺少的技術，它要求高精度、高穩定及可控性好，特別是對精度有著越來越高的要求。本系統通過單片機實現渡越時間測量算法，并在硬件系統上采用高精度的溫度補償機制，結合軟件編程算法，從而實現了精確的距離測量。且系統采用便攜式設計，完全可以在現代工業、勘探以及消費電子系統得到廣泛使用。

1 系統結構框圖

本系統整體框圖如圖1所示，由MCU單片機組成的控制及算法系統、整形電路、濾波、放大電路、LCD距離顯示、超聲收發器以及溫度測量等部分構成。

圖1 高精度超聲測距系統結構圖

2 設計實現

2.1 渡越時間測量和距離補償算法

渡越時間是指從超聲發射器發出的超聲波，經氣體介質的傳播后，然后反射回到接收器的時間。渡越時間與空氣中的聲速相乘，就是聲波傳輸的距離，即：

式中，L為待測距離，v為超聲波的聲速，t為渡越時間。若用σL=vσΔt+Δtσv來表示測量誤差，σL為測距誤差，v 為聲速，σΔt為時間測量誤差，σv為聲速誤差。則可知提高測量精度的方法有：

（1）由于超聲波在媒質中的傳播速度和溫度關系很大，所以必須要采取溫度補償措施，降低溫度變化對測量精度的影響。采用專用數字溫度傳感器DS 18B20測溫，然后利用下面公式來計算當前聲速，從而得到補償溫度導致的影響：

（2）若要求測距誤差小于0.01m，取聲速v＝340m/s時，忽略聲速誤差，那么測量時間的誤差為：0.00003s。所以必須利用脈沖計數的方法間接測量渡越時間t，可以把聲波的時間精度提高到所需的準確度，也就是把超聲波往返時間轉化為對計數脈沖個數N的測量，所以上式（1）可寫成：

式中，f為計數脈沖的頻率，v為聲速。

2.2 超聲系統硬件部分設計

硬件系統主要包括了整形電路、濾波、放大電路、LCD距離顯示、超聲收發器以及溫度測量等部分的設計。超聲收發器部分采用頻率為40kHz左右的電氣方式產生超聲波，由一級運算放大電路將超聲控制脈沖加載到超聲發射器上，經過被測物反射回來的超聲經過接收端的差分放大器放大1000倍左右。放大后的信號經帶通濾波、整形后輸出一個脈沖信號，此脈沖信號再經過反相器送入到單片機停止計數，然后根據時間計數器的計數值算出初始距離，最后根據數字溫度傳感器DS 18B20測出的環境溫度，對該值進行補償得到最終距離，最終通過LCD顯示出來。

2.3 軟件編程實現

單片機控制系統的設計，主要完成對超聲收發器脈沖的控制及計數，完成渡越時間算法及溫度測量和距離補償，同時控制一般儀器使用時所必須的顯示系統。從而可以實現測量距離為0-50米，精度為0.01米的高精度程控電流源系統設計。單片機軟件控制流程圖如圖2所示。

圖2 單片機軟件控制流程圖

3 結論

本系統采用單片機和渡越時間算法及溫度測量和距離補償，在多種距離和不同環境溫度下進行測試，其穩定性良好且精度較高，具有較強的實用價值。部分測試結果如表1所示。

［1］王榮揚,錢振華,殷勇輝.基于FPGA的互相關無串擾超聲測距系統[J].計算機工程,2013(08).

［2］楊旺喜,茅嘉偉,沈明明,王榮揚.科技信息[J],2014(09).

［3］游兆延,胡志超,吳努,吳惠昌.電子設計工程[J],2014,22(6).

［4］郁亞男.電子世界[J],2014(3).

［5］李佰庚.超聲波測距儀設計[J].工具技術,2012：82-85.