便攜式超聲波測距儀的實現

蒲忱 秦川

摘要：本文詳細介紹了超聲波測距的原理，并選取了高精度的超聲波模塊。詳細介紹了該超聲波模塊的原理、使用方法以及特性。結合T89C2051，基于所選取的超聲波模塊設計出便攜式超聲波測距儀。同時考慮到測試環境溫度對測量精度的影響，加入了溫度采集系統，很大程度上提高了超聲波測距儀的精度。

關鍵詞：超聲波；距離測量；HC-SR04；溫度補償The realization of the portable ultrasonic range finder

Pu ChenYu Dongmiao

Abstract:This paper introduces in detail the principle of ultrasonic ranging, and select the high precision ultrasonic module. Introduces in detail the principle of the ultrasonic module, using methods and features. Combining T89C2051, based on the selected ultrasonic module design of the portable ultrasonic range finder. At the same time considering the test environment's influence on the accuracy of measurement temperature, joined the temperature acquisition system, to a great extent improve the precision of the ultrasonic range finder.

Key words:ultrasonic wave；Distance measurement；HC-SR04；Temperature compensation在工程現場應用中，距離測量一直占據著很重要的地位。尤其是考慮到傳統的測量方法在測量精度、測量效率方面的劣勢，原有的直接測量方式已經遠遠不能滿足現當代人們的需求。在電站的建設、以及建成后運行維護的過程中經常會對深井、管道、液位等長度進行測量，傳統的測距方式也不能完成測距任務。因此，傳統的測量方法將逐步被非接觸式測量方式取代[1]。

非接觸式距離測量的方法有很多種，如雷達、激光、射線、超聲波等[2]。其中，超聲波技術以其不受光、電磁波及粉塵等干擾的特性，常常受到便攜式測距儀設計者的青睞。同時，基于超聲波技術的便攜式測距儀擁有成本低、功耗小、精度高等特點，因此超聲波便攜式測距儀一直在市場上受到使用者的好評。

1超聲波測距簡介

1.1 測距原理

要了解超聲波測距的原理，就必須對超聲波的特性進行一定了解。所謂超聲波，即頻率高于20Khz的聲波。超聲波具有穿透性強，方向性好，易于獲得較為集中的聲能等特性。

超聲波測距的原理如圖1所示。首先，通過超聲波發射裝置將超聲波脈沖發射出來，超聲波遇到障礙物（也就是被測物）后被反射回來，超聲波接收裝置對反射回來的超聲波脈沖進行探測。若能夠測量出發射出超聲波脈沖和接收到超聲波脈沖的時間差為t，利用公式（1）便可以測算出超聲波傳感器和障礙物之間的傳播距離s。

繼而可以通過公式（2）計算出實際測量距離d。

由公式（2）可知，當s>>h時，則存在d≈s。

1.2 溫度補償

在常溫下，空氣可以被近似看為理想的氣體。由公式（3）[3]可以算出超聲波在空氣中的傳播速度v。

式中：r為氣體的比熱比；μ為氣體的摩爾質量；R為氣體常數；T為熱力學溫度。

由式（3）可知超聲波的聲速與熱力學溫度的平方根成正比。因此，溫度越高聲速就越大。當溫度為0℃的時候，空氣中聲速的實測值為331.45m/s，因此在空氣中聲速的表達式為：

式中，t為空氣溫度（℃），T0=273.16℃。由公式（4）可得，當溫度為25℃時，聲速V=346.285m/s。

由此可知，當溫度在一定范圍內變化時，如0℃-25℃變化，聲速也會隨之發生較大的變化，由公式（1）和（2）可知，聲速變化會直接導致最終的測量結果變化。因此在設計基于超聲波的便攜式測距儀時，需要充分考慮到溫度的影響。

1.3 測距系統組成

測距系統由五大部分組成，即顯示及按鍵部分，控制部分，溫度檢測部分，超聲波模塊以及電源部分，如圖2所示。

由電子顯示屏對檢測的距離數據進行顯示，同時由按鍵部分控制測量開始。由于存在溫度的干擾，因此需要一個獨立的溫度精確檢測部分。由核心控制部分對超聲波模塊的信號進行接收處理，同時結合溫度檢測系統的數據進行距離測算，然后將測得的距離數據發送給顯示部分進行顯示。電源部分針對不同部分的電源需求對各個部分進行供電。

2超聲波模塊介紹

2.1 超聲波模塊選取和簡介

現如今，市面上有很多超聲波模塊供設計人員選擇，因此，在設計超聲波測距儀時不需要自行設計超聲波收發電路。國外的超聲波模塊主要有SRF02和SRF05兩種。這兩款模塊的探測區間都為15cm-600cm，通信方式可選用I2C或串口。由于這兩種超聲波模塊的價格十分昂貴，因此國內出現了一種該系列產品的替代品—HC-SR04，其外觀圖如圖3所示。

HC-SR04系列的超聲波模塊具有價格便宜，功耗低，接口簡單等特性，其主要電氣特性參數如表1所示。

2.2 HC-SR04工作原理

HC-SR04提供四個插腳和外圍設備進行通信，這四個插腳的示意圖如圖4所示。

由此可知HC-SR04的各管腳功能如下：

⑴1和4管腳為模塊的電源管腳；

⑵2管腳為觸發引腳；

⑶3管腳為信號接收引腳。

由HC-SR04的使用手冊可知，HC-SR04模塊的工作原理為如下幾個步驟：

⑴采用IO觸發測距，IO發出至少持續10us的高電平信號；

⑵模塊自動發送8個40Khz的方波，然后自動檢測是否有信號返回；

⑶有信號返回，通過模塊3管腳輸出一個高電平。該高電平的持續時間則為超聲波從發射到返回的時間。

該超聲波模塊的整個工作過程如圖5所示。

3硬件電路設計

綜合考慮到便攜式超聲波測距儀的具體使用情況和成本控制，決定使用AT89C51作為本設計的主控芯片。

3.1 超聲波模塊電路

結合超聲波模塊的管腳設定，所設計的超聲波模塊電路如圖6所示。

如圖6所示，將HC-SR04的觸發管腳和單片機的28管腳相接，因此單片機可以通過該管腳發出一個持續時間大于10us的高電平來觸發HC-SR04，驅動其工作。同時，將HC-SR04信號輸出管腳3和單片機的T0管腳相接，以此讀取回響電平持續時間。從而使HC-SR04模塊能夠正常工作。

3.2顯示電路

考慮到超聲波距離測量儀的便攜性，因此采用時下較為常用的顯示模塊—LCD1602來顯示測距儀的測量結果。該顯示屏具有結構緊湊、低功耗、高可靠性以及長壽命等特點。

AT89C51驅動LCD1602的電路圖如圖7所示。由圖7可知，LCD1602的接口電路較為簡單，同時可以通過一個電位器對屏幕亮度進行調節，因此可以使該測距儀更具有實用性。

3.3 溫度測量電路

由1.2節可知，測試環境溫度對測量結果有著較大的影響，因此檢測系統需要一個溫度檢測部分對檢測結果進行校正。

在此選擇DS18B20作為溫度測量的核心傳感器。DS18B20具有結構簡單、精度較高、價格低廉以及功耗較低等特性[4]。DS18B20可以直接將所測得的溫度信號輸入單片機。該芯片所能夠測量的范圍為-55℃~125℃，能夠滿足絕大多數的測量溫度要求。由DS18B20組成的測溫電路如圖8所示。

3.4 開關電路

檢測系統中需要一個開關來控制檢測的開始。開關電路如圖9所示，單片機的P1.7管腳常為高電平，當開關按下，該管腳變為低電平，因此測量開始。

4程序設計

在本系統中，程序設計主要采用模塊化的設計，程序設計主要包括主程序設計、按鍵掃描子程序設計、測溫子程序、距離測算子程序、顯示子程序以及延時子程序等。

主程序流程圖如圖10所示。由于篇幅的限制，在此就不對各子程序做一一介紹。

6總結

本文針對現有的距離測量方案的不足提出來便攜式超聲波測距儀的方案，充分考慮到便攜式測距儀的使用場合和特性，具有較高的參考價值。

[參考文獻]

[1]閻煥忠,王長濤,王鑫,閔莉.便攜式超聲波測距儀設計[J].科技廣場．2008(12)．

[2]劉民.超聲波測距儀的研制[M].湖北工業大學, 2005(5):3-4．

[3]趙珂,向瑛,等.高準確度超聲波測距儀的研制[J]．傳感器技術．2003,22(2)．

[4]張軍.智能溫度傳感器DSl8820及其應用[J].儀表技術，2010(4)}68—70．