超聲波技術在船舶測距中的應用研究

周敘國

(貴州工業職業技術學院，貴州貴陽550008)

超聲波技術在船舶測距中的應用研究

周敘國

(貴州工業職業技術學院，貴州貴陽550008)

摘要:船舶在水中航行，經常會涉及到對周圍物體和船只的測量，以便及時發現危險，避免碰撞事故的發生。超聲波是自然界中的一種機械波，超聲波在傳播時，具有傳播方向性強，傳播能量強，而且傳播過程不容易被干擾，傳播能量衰減較小，傳播較遠的優點。因此，可以將超聲波方便地應用在船舶測距系統中。本文基于單片機，對船舶的超聲波測距系統進行設計和研究，系統可以實現對船舶周圍物體距離和方向的測量。

關鍵詞:超聲波;船舶;測距

Research on application of ultrasonic technology in the ship in the distance

ZHOU Xu-guo
(Guizhou Industry Polytechnic College，Guiyang 550008，China)

Abstract:While the ship sailing in water，it often involves with the distance measurement of the surrounding objects and ships，in order to discover the risk，avoid collision．Ultrasonic is a kind of mechanical wave in nature，ultrasonic has a series of advantages of strong directivity，strong spread energy，the spread energy is not easy to be interfered and damped during the transmission，and can travel long distances．Therefore，ultrasonic can be easily applied in ship distance measurement system．In this paper ultrasonic distance measurement system on the ship is designed and researched based on micro control unit，the system can realize the measurement of the distance and direction of the object around the ship．

Key words:ultrasonic; distance measurement;ship

0　引言

船舶是一種在水域中航行的交通工具，因為其載重量很大，具有很大的慣性。船舶不同于其他的路上交通工具，船舶不具備很強的靈活性和可控性，所以需要對周邊的船舶和障礙物進行提前的測量和預判，以避免發現障礙物時為時已晚，不能通過緊急的轉向操作有效避開障礙物，避免碰撞事故。

超聲波是存在于自然界中的一種機械波，一般是指頻率高于20 kHz的機械波。超聲波在傳播過程中，具有較強指向性和方向性。傳播時可傳播能量比較強，而且在傳播過程中不容易被干擾，傳播過程中的能量衰減較小，因此超聲波可以傳播到很遠的地方。由于超聲波具有這一系列的優點，它比較適合應用于遠距離測量領域，因此超聲波在越來越多的領域得到了廣泛的應用。目前市面上的超聲波傳感頭的體積越來越小，價格越來越低，而且防水性能都比較好，因而超聲波相關的裝置被越來越多的應用于船舶距離測量的應用中［1］。

1　超聲波測距原理

利用超聲波進行距離測量的原理是，利用超聲波的傳播特性，超聲波發射裝置發射出超聲波，超聲波往前傳播，直至超聲波碰到障礙物，超聲波原路返回，被超聲波接收裝置接受，超聲波處理系統根據超聲波來回傳播的時間乘以超聲波傳播的速度，就可以計算出傳聲波的傳播距離，以此計算出障礙物離超聲波裝置的距離［2］。超聲波測量距離的原理圖如圖1所示。

圖1　應用超聲波進行測量距離的工作原理圖Fig.1　The work principle chart of using ultrasonic in distance measurement

障礙物距離的計算公式如下:

式中: c為超聲波的傳播速度; t為超聲波的傳播時間，即超聲波從發射出到超聲波被接受所用的時間。為了縮小誤差，超聲波發射和接收裝置距離要盡可能的靠近放置。

由于超聲波是一種聲波，其傳播速度與聲波一樣，受溫度的影響較大，不同的溫度下超聲波的傳播速度不同，如果在計算時取某個固定值，會帶來一定的計算誤差，影響整個系統的測量精度。因此，在實際應用中，如果工作環境的溫度基本恒定沒有太大變化，基本可以認為聲速是恒定不變的，在計算時取平均工作環境溫度對應的固定值即可。但在一些環境溫度變化較大，或是系統對測量精度要求比較高的應用場合，往往需要通過另外增加溫度補償部分，對超聲波在不同溫度下的實際傳播速度進行相應的補償和校正，從而得到比較準確的傳播速度，繼而得到相對準確的測量結果。

2　超聲波測距系統

由于超聲波指向性強，能量在傳播過程中的消耗較小，因此可以傳播較遠的距離，因而超聲波比較適用于中長距離的測量場合。本文采用單片機對超聲波距離測量系統進行設計，系統設計比較方便。單片機采用12.0 MHz晶振，理論上的測量精度可以達到毫米級，完全可以達到船舶距離測量的對精度的要求。

基于單片機的距離測量系統，按照功能模塊劃分，包括單片機控制系統、超聲波發射電路和超聲波接收電路。另外，為了保障測量的精度，需要另外增加溫度補償電路，為了實現測量距離的實時直觀的顯示，需要增加LED顯示電路，為了實現預警功能，需要增加語音播報電路。

船舶超聲波距離測量系統的工作原理示意圖如圖2所示。系統的具體工作過程如下，裝置在船舶上的單片機芯片發出固定頻率的脈沖信號，然后經過放大器對該脈沖信號進行放大，防止其在傳播過程衰弱太多，放大后的信號經過發射裝置向前方發射。發射裝置每次發射固定個數的脈沖，當第1個超聲波脈沖發射后，等較短時間之后(可以取0.1 ms)計數器開始計數，防止剛發射出去的脈沖被旁邊的接收裝置直接接收，導致誤接收。如果前方沒有障礙物，發射出去的超聲波脈沖就會有去無返，不會被接收。當前方有障礙物存在時，超聲波信號遇到障礙物時，障礙物會阻擋超聲波的繼續傳播，使其原路返回，從而被船舶上的超聲波接收裝置接收，在接收到返回的超聲波的瞬間，停止計數器計數。然后超聲波接收裝置將接收到的超聲波信號送到放大器，對其

進行放大處理，然后送至鎖相環電路對其進行檢波處理，確定接收信號的頻率是否與發射超聲波的頻率一致。如果判斷頻率一致，則啟動中斷程序，得到傳播時間，同時讀取溫度模塊中傳播速度的補償值，對超聲波傳播速度進行補償和校正，然后根據距離測量的標準公式，計算出障礙物的距離，并將該數值送LED顯示進行實時顯示，呈現給觀測者。

圖2　船舶超聲波距離測量系統工作原理示意圖Fig.2 The work principle diagram of distance measurement system of the ship based on ultrasonic

3　硬件電路部分設計

本節主要對基于單片機的船舶超聲波距離測量系統的硬件電路部分進行設計。系統硬件電路部分按功能大致可分為單片機控制電路、超聲波發射電路、超聲波接收電路、溫度補償電路和顯示電路等幾部分。

基于超聲波的船舶測距系統功能框圖如圖3所示。其中單片機控制系統，采用經典的AT89C51單片機作為控制核心，并輔以其他周邊的電路共同組成單片機控制系統。其中超聲波發射電路是采用74LS04反相器與周邊電路組成而成，以CX20106A為核心的超聲波處理模塊對接收探頭接收到的信號進行放大和濾波等處理，LED液晶顯示模塊主要實現超聲波測量距離的顯示功能，由于船舶航行條件溫度變化較大，同時對距離測量精度要求較高，因此添加了以DS18B20為核心的溫度補償電路。系統結構簡單可靠，成本不高，功能實用。

圖3　基于超聲波的船舶測距系統功能框圖Fig.3 The block diagram of distance measurement system of ship based on ultrasonic

3.1單片機控制部分

本系統選用經典的AT89C51型號的單片機作為整個系統的核心主控芯片。該芯片典型的特點是可以在較低功耗的情況下實現較高的處理性能。AT89C51具有很強大的擴展性能，自帶4K的FLASH存儲空間和128 bit的RAM，有多達32個的I/O口。同時擁有2個16位定計數器，用于計算超聲波傳播的時間。具有1個5向量的兩級中斷結構，可以方便實現主程序調用中斷子程序。帶有一個全雙工串行通信口，可以實現與上位機之間的通信。片內帶有振蕩器及時鐘電路，可以發射固定頻率的脈沖信號［3］。

3.2超聲波發射電路

超聲波發射電路，顧名思義，其主要功能是實現超聲波的發射，該部分主要由超聲波換能器和放大器兩部分組成。其中超聲波換能器是一個關鍵的裝置，它的主要功能是實現電、波轉換，即將單片機發出的電形式的脈沖信號轉換成對應的波形式的超聲波信號，然后將其發射。本系統采用T40信號的換能器進行設計，電路簡單可靠。放大器部分本系統采用反相器74LS04組成，主要功能是對超聲波發射換能器發射出的微弱的超聲波信號進行放大，防止其在傳播過程衰減，導致接受不到。

為了增強信號的強度，將單片機輸出的40 kHz的電方波信號采用推挽形式對發射信號進行增強。即信號分為兩路，一路直接送至超聲波換能器的一個端口，另一路經過反向器后送至超聲波換能器的一個端口。或者一路經過一級反向器后送至超聲波換能器的一個端口，另一路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個端口，相比這種方式增強效果更好。經過這種推換結構，可以提高超聲波信號的發射強度。

3.3超聲波接收電路

同超聲波發射電路相對應，超聲波接收電路的主要功能是接收碰到障礙物返回的超聲波信號，主要由超聲波接受傳感器、放大電路和鎖相環電路3個部分組成。其中超聲波接受傳感器的主要功能是將接收超聲波，同時將超聲波波信號轉換為相應的電信號，方便之后的處理。放大電路的

主要功能是將返回來的微弱的超聲波信號進行放大。鎖相環電路的主要功能是判斷返回的超聲波的頻率是否與單片機發射出的頻率相同，在接收到與發出信號頻率相同的信號后，向單片機發出中斷請求。

本系統中的超聲波接受傳感器部分選用CX20106A集成電路進行設計。CX20106A集成電路不是專門用于超聲波接收的芯片，而是一款用于紅外檢波接收的專用芯片，由于紅外線和超聲波的常用頻率比較接近，本系統將它應用于超聲波信號的檢波和接收。CX20106A集成電路的主要功能是對接收到的超聲波信號進行放大和濾波。其總放大增益可以達到80 dB。實驗證明用該集成電路，具有較高的靈敏度和較強的抗干擾性［4］。

3.4溫度補償電路

船舶航行條件復雜，溫度變化較大，超聲波的傳播速度會發生較大變化。為了實現較高的測量精度，本系統另外添加了溫度補償電路。采用DS18B20型號的溫度傳感器，測量環境溫度值。該溫度傳感器的溫度測溫范圍為－55～125℃，可以精確到小數點后3位數。DS18B20采用一線制與單片機相連，將測量的溫度值發送給單片機，單片機根據溫度，套用溫度補償表公式，對超聲波的傳播速度進行補償。該溫度補償電路具有低成本、使用方便和分辨率高的特點。適用于各種狹小空間設備的溫度測量。

3.5 LED顯示電路

為了能夠直觀了解障礙物的距離，本系統增加了顯示屏，可以顯示漢字與數值，主要功能是測量到的障礙物實時距離反映在屏幕上，讓船舶工作人員能夠直觀的了解前方障礙物距離信息，掌握船舶當前的航行狀態。

當前可以做顯示器的有LED、LCD和CRT等多種。其中CRT就是顯像管式的顯示器，具有視覺效果好，可靠性高，價格低廉的優點，但其體積大、耗電較多，對人體有輻射作用。LED就是發光二極管，其亮度很高，尺寸不受限制，但視覺效果比不上CRT顯示器。

綜合考慮系統的需求，采用LED顯示屏，來對環境溫度、測量距離等信息的顯示。

4　軟件設計

一個完整系統除了要擁有完善的硬件，還需要功能強大的軟件進行支撐。為了便于進行結構優化，已經方便計算，本系統的軟件部分采用C語言進行編程，并采用主程序調用中斷的形式進行設計。本系統的軟件按功能可以分為以下3個部分:

1)主程序部分:主要功能是完成系統的初始化工作，并且實現對超聲波發射和接收順序的控制。

2)定時中斷子程序:也可以稱為超聲波發射子程序，主要功能是實現超聲波的發射。

3)外部中斷子程序:也可以稱為計算子程序，主要功能是進行傳播時間的讀取、傳播距離計算和最終結果的輸出等工作［5］。

基于超聲波的船舶測距系統程序流程如圖4所示。基本的工作流程是，首先運行主程序，進行系統的初始化工作，同時完成定時器的工作模式的設置已經總中斷允許位的置位。在完成這些基礎的工作之后，主程序調用定時中斷子程序，發出超聲波脈沖。為防止剛發射出的超聲波，直接被旁邊的接收裝置誤接收，需要設置一個較短的延遲時間再進行接收，一般可設為0.1 ms，然后再打開外中斷接收返回的超聲波信號，這樣就可以避免誤檢測。

主程序一直檢測是否有超聲波返回，一旦檢測到返回的超聲波信號，立即進入中斷子程序，進入中斷子程序之后就立即刻關閉計時器，停止計時，讀取超聲波傳播的時間值，并根據計算公式計算超聲波的傳播距離，從而得到障礙物的距離，然后將結果進行輸出。

硬件電路搭建完畢并完成調試之后，就可以將編譯好的C語言程序，下載到單片機，進行調試運行。根據實際的運行情況，可以對一些參數進行修改和優化。可以超聲波發射的脈沖寬度進行修改和優化，可以對超聲波的測量間隔時間進行修改，通過修改可以得到適應與船舶距離測量需要的軟件控制程序。在完成整個系統調試后，還需要對系統的測量誤差進行驗證和分析，分析產生的原因，然后

再進行針對性的校正和優化，使其達到符合船舶距離測量對精度的要求。

圖4　基于超聲波的船舶測距系統程序流程圖Fig.4 The program flow chart of distance measurement system of ship based on ultrasonic

5　結語

船舶在水中航行，為了保障其安全行駛，避免碰撞事故發生，往往需要對其周圍的障礙物進行距離的測量。本文對超聲波在船舶距離測量領域的應用進行了研究，基于單片機控制系統設計了一種適用于中小型船舶的船舶超聲波距離測量系統。本文對系統中核心硬件部分進行選型和設計，對軟件工作流程進行設計與分析。系統采用單片機AT89C51作為系統的控制核心，同時系統增加了溫度補償模塊，在很大程度上保證了測量精度，同時還配備了LED顯示功能，可以讓船舶工作人員能夠直觀的了解前方障礙物距離信息，掌握船舶當前的航行狀態。該系統結構簡單、實用，并且可以實現較高的測量精度。

參考文獻:

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作者簡介:周敘國(1971－)，男，副教授，主要研究方向為人工智能應用。

收稿日期:2015－01－05;修回日期: 2015－04－07

文章編號:1672－7649(2015) 07－0211－05doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.050

中圖分類號:U664．262

文獻標識碼:A