超聲波測距應用研究

莫林夫

本文介紹了基于單片機控制的超聲測距原理：由AT89C51控制超聲波發射模塊產生超聲波，同時計時，超聲波碰到目標物反射到接收模塊的往返時間乘以超聲波傳播速度得到實測距離。并用四位LED數碼管顯示距離。本方法具有易控制、工作可靠、測距準確度高、可讀性強和流程清晰等優點。實現后的產品可用于需要測量距離參數的各種應用場合。

【關鍵詞】超聲測距 AT89C51

近年來，隨著電子測量技術的發展，運用超聲波精確測量已成可能。隨著經濟發展，電子測量技術應用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩定則備受青睞。隨著機器人技術在其誕生后短短幾十年中的迅猛發展，它的應用范圍也逐步由工業生產走向人們的生活。機器人通過其感知系統察覺前方障礙物距離和周圍環境來實現繞障、自動尋線、測距等功能。超聲波測距相對其他測距技術而言成本低廉，測量精度較高，不受環境的限制，應用方便，將它與紅外、灰度傳感器等結合共同實現機器人尋線和繞障功能。超聲波由于方向性強、衰減緩慢且在介質中傳播的距離較遠，因而經常用于距離的測量。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現場等，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響應速度快，且計算方便、易于實時控制，測量精度也能達到工業現場的要求，因此在現代控制和工業現場該方法得到廣泛的應用。

1 超聲波測距的原理

超聲波是指頻率高于20kHZ的機械波，其頻率較高，波長很短，在一定距離內沿直線傳播，具有優異的束射性與方向性。超聲波測距正是利用此特性，首先測出超聲波從發射到遇到障礙物反射回來所經歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。測距的數學公式表示為：

S=C×T

式中S為測量的距離；C為超聲波在介質中的傳播速度；T為超聲波傳播的時間（T為發射到接收時間數值的1/2）。

2 誤差分析

由超聲波測距公式S=C×T，可知測距的誤差又兩個因素，其一為超聲波的傳播速度誤差，其二為測量距離傳播的時間誤差。

2.1 時間誤差

如果要求測距誤差小于1mm，假設已知超聲波速度C=340m/s （20℃室溫），忽略聲速的傳播誤差。時間誤差?t≤0.001/340≈0.000029s，即2.9μs。

忽略超聲波傳播速度誤差的前提下，時間誤差精度只要達到微秒級，就能達到測距誤差小于1mm的要求。實際測量中用12MHz晶體作時鐘基準的89C51單片機定時器能可靠的計數到1μs的精度，即滿足設計要求。

2.2 超聲波傳播速度誤差

超聲波的傳播速度與空氣的密度相關，空氣的密度高則傳播速度就快，而空氣的密度與溫度有著密切的聯系。根據實際測量經驗，超聲波速度與溫度關系如下：

C≈C0

公式中：T為空氣的絕對溫度。

C0為零攝氏度時的聲波傳播速度332m/s； 超聲波測距過程中就必須把超聲波傳播的環境溫度考慮進去，例如當溫度0℃時超聲波速度是332m/s， 30℃時是350m/s。

3 系統硬件設計

單片機控制發出超聲波，不斷檢測超聲波發射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發射和接收回波的時間差ΔT，然后求出距離S=C.ΔT/2，式中的C為超聲波波速。

首先我們知道AT89C51系列單片機內部是有2個16位定時器/計數器的，那么我們就用這個計時器進行計時。并且該系列單片機內部有一個寄存器，我們可以將從計時器獲得數據進行處理并寄存在單片機的寄存器中，利用單片機軟件編程與預存的超聲波傳播速度相乘，得出測量距離通過顯示電路將數據顯示出來。超聲波測距系統結構圖如圖1所示。

單片機發出40kHZ的信號，經放大后通過超聲波發射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經放大器放大，用比較電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為ΔT，等到把數據送到單片機后使用軟件對超聲波的傳播速度進行調整，使測量精度能夠達到要求。再由軟件進行判別、計算，得出距離數并送LED顯示。用復位電路重置系統后可進行下一次測試。

4 系統軟件設計

軟件采用模塊化設計方法，由主程序、超聲波發生子程序、超聲波接收中斷子程序、溫度測量子程序、距離計算子程序、顯示子程序、鍵盤掃描處理程序等模塊組成。

5 結論

該系統整體電路的控制核心為單片機AT89C51。超聲波發射和接收電路中都對相應信號進行整形及放大，以保證測量結果盡可能精確。超聲波探頭接口實現超聲波的發射和接收。等到把數據送到單片機后使用軟件對超聲波的傳播速度進行調整。整體結構包括超聲波發射電路、超聲波接收電路、放大電路、比較電路、震蕩電路、單片機電路、鍵盤輸入電路、電源電路、復位電路、顯示電路等幾部分模塊組成。經過設計調試該系統能夠滿足一般近距離測距的要求，且成本較低、有良好的性價比。當今汽車普及到千家萬戶，倒車雷達的需求不可謂不大，而本設計方法可以廣泛的應用于倒車雷達的測距中，所以其經濟效益非?？捎^。

限制該系統的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發射/接收的設計方法。

作者單位

長沙航空職業技術學院 湖南省長沙市 410124endprint