具有溫度補償功能的超聲波測距系統設計

劉芹

摘 要：超聲波測距系統運行過程中，環境溫度會對測距系統的測量精度造成較大影響，為了降低環境溫度波動對超聲波測距系統精確度的影響，需要在測距系統中增加溫度補償系統。在具有溫度補償功能的超聲波測距系統設計中，本文以單片機為控制核心，并使用溫度傳感器進行環境溫度測量，從而實現在不同環境溫度下的超聲波波速確定，提高測量精度。

關鍵詞：溫度補償；超聲波測距系統；單片機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.096

0 引言

相較于其他測距方式，超聲波測距具有更高的電磁抗干擾能力，并且對空氣質量和環境光照強度要求更低，另外由于超聲波測距屬于非接觸測距技術，用途更加廣泛，同時超聲波測距系統可靠性更高，制造運行所需的成本更低，當前已經取得廣泛使用。但是超聲波對溫度較為敏感，通過研究發現，當環境溫度升高1℃時，聲速下降0.607m/s。

1 超聲波測距系統工作原理

超聲波測距系統工作過程中，由超聲波發射系統發出超聲波，由接收系統接收反射回的超聲波，當超聲波發出后，測距系統中的計數器開始同步工作，當接收器接收到第一個反射信號后，計時停止，通過當前環境溫度下的聲速與計時時間的相乘計算即可實現距離測量。而要確定不同環境溫度下的聲速，可以通過以下公式確定聲速：

在超聲波測距系統設計中，可以將聲速公式代入到距離計算公式中，則可通過環境溫度和計時時間確定距離。

在具有溫度補償功能的超聲波測距系統設計中，在超聲波測距系統中加入溫度傳感器，并將測得的環境溫度傳入單片機，由單片機中的程序進行距離計算，通過顯示屏進行距離顯示，在系統運行中，由于充分考慮了環境溫度因素，所以可以極大提升超聲波測距系統的精確度[1]。

2 具有溫度補償功能的超聲波測距系統設計

2.1 溫度補償系統設計

溫度補償系統中最重要的就是溫度傳感器選取和與系統的連接，需要保證溫度傳感器有較高的靈敏度和較強的抗干擾能力，在完成溫度測量后，將測量值輸入單片機中，由相關程序進行距離計算。本文選取了DS18B20溫度傳感器，傳感器結構為兩條數據總線，這兩條總線能夠實現溫度轉換和數據傳輸功能，在溫度傳感器運行過程中，可以將數據總線直接與單片機進行連接，將測量到的數據輸入單片機中，在該過程中不需進行A/D轉換，并且另一條數據線用于傳輸溫度轉換指令和讀寫指令。

2.2 超聲波發射系統設計

超聲波發射系統中的硬件為換能器、反相器和上位電阻，在超聲波發射系統運行時，由輸入端輸入40kHz方波信號，通過一條兩級反相器線路后，將聲波送入換能器的一個電極，同時另一條路徑的一級方向器也將信號傳輸到換能器的另一個電極上，通過這種電路的設計能夠極大提升換能器發射信號的強度[2]。另外在超聲波發射系統電路設計中，還需要在系統中增加上位電阻，上位電阻能夠發揮提升換能器阻尼的作用，讓換能器能夠更好發生超聲波，同時上位電阻能夠大大縮短換能器的自由震蕩時間，降低了系統誤差。

2.3 超聲波接收系統設計

對于超聲波測距系統來說，反射回來的超聲波具有更低的能量，所以在接收系統設計時，需要對接收到的信號進行放大操作，從而讓系統能夠更好地接收到超聲波反射信號。另外超聲波測距系統運行過程中，環境噪音也會對測距系統的靈敏度造成很大影響，所以在超聲波接收系統設計時，需要在電路中設置濾波器，在降低環境噪聲對測距系統靈敏度影響的同時，也讓反射回來的超聲波信號能夠被更好接收和識別。本文在超聲波接收系統設計中，采用CX20106A芯片作為接收電路，以實現反射信號放大、濾波、整波等多種功能。

2.4 顯示和控制系統設計

在具有溫度補償功能的超聲波測距系統設計和使用中，單片機為系統的運行核心，所以在系統建設中，需要保證單片機能夠滿足控制和計算要求，并且在儀器制造時，需要保證各線路能夠與單片機實現正確連接，本文最終選用AT89C51單片機，將超聲波發射系統和超聲波接收系統進行正確連接。另外在超聲波測距系統設計中，還需要能夠顯示測量數據，在以低能耗、低成本為指導思想選擇合適的顯示屏后，將顯示屏與單片機上的相應接口有效連接，從而進行數據顯示，另外在該過程中，還可以通過系統設置實現對數據顯示尺寸的調節。

2.5 軟件系統設計

在軟件系統設計時，需要使軟件系統具備初始值調整、時間測量和距離計算功能，在軟件系統運行過程中，首先進行系統歸零，當按下測量按鈕后，計時器運行進行時間測量，同時調用溫度測量程序，測量環境溫度并進行溫度轉換，并且在按下測量按鈕后，由單片機發射40kHz方波，經過信號放大后由換能器發射超聲波。當反射的超聲波信號被超聲波測距系統接收到時，計時器停止計時，調用超聲波測距系統中的計算程序進行距離計算。

在超聲波測距系統設計和制造完成后，需要對系統進行測試，測試方法為在室內0.5m～5m范圍內使用生產完成的測距系統進行距離測量，在測試過程中調整室內溫度，將超聲波測距系統的測量結果與實際距離相比較，從而確定超聲波測距系統的測量精度，最終結果表明，該系統的測距誤差低于1%，說明該系統能夠滿足距離測量的精確度要求。

3 結論

綜上所述，在超聲波測距系統運行過程中，由于溫度會對波速產生較大影響，所以為提升測距的精確度，需要在系統中增加溫度補償系統。在具有溫度補償功能的超聲波測距系統設計中，涉及溫度補償系統、超聲波發射/接收系統、控制系統與顯示模塊、軟件系統的設計，并且通過對系統的測試可以發現，具有溫度補償功能的超聲波測距系統能夠極大提升測距的精確度。

參考文獻：

[1]王占選，趙冬娥，黨浩淮，章曉眉，李穎.具有溫度補償功能的超聲波測距系統設計[J].電聲技術，2014，38（02）：35-37+59.

[2]蘭羽.具有溫度補償功能的超聲波測距系統設計[J].電子測量技術，2013，36（02）：85-87.