基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)研究

霍海波

摘要：隨著時代的進(jìn)步，科技的創(chuàng)新，我國在很多領(lǐng)域都取得了巨大的成效。在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程中，應(yīng)用較為廣泛的是利用超聲波進(jìn)行距離非接觸式的測量，當(dāng)下，該技術(shù)已經(jīng)趨于成熟化。在工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程中應(yīng)用較為廣泛的有液位的測量、機器人的定位、輔助視覺系統(tǒng)、車位的定位與導(dǎo)航等，利用單片機進(jìn)行的高精度超聲波測距能夠詳細(xì)地從中得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)測試結(jié)果。實際工作中我們可以利用高精度的超聲波技術(shù)自身的一些特點，進(jìn)行總結(jié)分析，制定出全新的、精度較高的超聲波測距系統(tǒng)，并將該技術(shù)應(yīng)用到一些惡劣的環(huán)境中，進(jìn)行測距工作。事實上，在實際現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程中，我國現(xiàn)階段所擁有的超聲波測距技術(shù)的發(fā)展還不夠成熟，使得所制作的超聲波測距儀所測得的數(shù)據(jù)精密度一貫偏低。為了從真正意義上研究出適應(yīng)新時代工業(yè)化生產(chǎn)的高精度超聲波測距系統(tǒng)，我們針對“基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)”這一話題展開了一個深刻的探討，從回波信號處理的角度出發(fā)，分析出了超聲波曲線的獨有特性，并以單片機為核心，介紹了基于單片機技術(shù)的高精度超聲波測距系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：單片機;高精度;超聲波;測距系統(tǒng)

中圖分類號：F275 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)是一種新時代下技術(shù)產(chǎn)物，該技術(shù)的引入可以在很大程度上提高我國企業(yè)工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)程的工業(yè)測距工作，充分發(fā)揮高精度超聲波測距系統(tǒng)的獨有作用。但傳統(tǒng)的超聲波測距系統(tǒng)還存在著很多不足，技術(shù)的不完善使得該技術(shù)在實際工業(yè)生產(chǎn)測距過程中出現(xiàn)了很多問題。基于不同環(huán)境之下的單片機超聲波測距系統(tǒng)所得出的測距數(shù)據(jù)是不一致的，在一些較為惡劣、有毒的環(huán)境下，我們很難得出較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。為此，現(xiàn)階段我國加大了對超聲波測距系統(tǒng)的研究與改進(jìn)，引入了基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)，以此來解決實際測距工作中由于環(huán)境或者其他因素造成的回波信號過差、測量數(shù)據(jù)錯誤等不利工業(yè)測量現(xiàn)象。由此，新時代下的高精密度超聲波測距系統(tǒng)具備了全新的距離測控特性，解決了傳統(tǒng)工業(yè)距離測量中所存在的差別，分析了出現(xiàn)測量誤差的具體原因，并構(gòu)建出全新的、適應(yīng)新時代背景下工業(yè)測量的工業(yè)距離測控工具。

1 回波信號包絡(luò)研究

基于單片機下的高精度超聲波測距系統(tǒng)對工業(yè)距離的測量結(jié)果有著很高的要求標(biāo)準(zhǔn)，同傳統(tǒng)的超聲波工業(yè)測距方式相比具有其獨有的特性。我國傳統(tǒng)的超聲波工業(yè)測距方案較為陳舊，該測距方式已經(jīng)不適合當(dāng)今時代背景的發(fā)展，利用傳統(tǒng)固定電平來判斷回波的具體到達(dá)時刻的超聲波測距方案存在著較大的誤差，并不能測出實際距離。其中，誤差有大有小，過大的誤差將會在很大程度上影響到我國工業(yè)化進(jìn)程的有效開展，并對后續(xù)工業(yè)工作的正常開展造成巨大的影響。我們針對這一工業(yè)測距誤差展開了一個系統(tǒng)化的討論，并作出了相應(yīng)的技術(shù)性改革[1]。針對這種測距誤差所提出的可變閾值的超聲波測距方式，技術(shù)人員可以對其進(jìn)行詳細(xì)的分析、調(diào)查，并尋找出導(dǎo)致工業(yè)測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差的根本原因，最初所得出的結(jié)論是因工業(yè)環(huán)境中存在干擾信號的因素，使得超聲波測距主芯片會在實際測量中產(chǎn)生誤差，錯誤的判斷回波時刻的到來，進(jìn)而促使工業(yè)測量中所得出的測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。通過精密的研究，我們可以得出一個全新的理論：實際工業(yè)測距過程中超聲回波在脈寬實踐中，電壓可以達(dá)到最大峰值。在接收電路的過程中，我們可以利用電路的特性進(jìn)行改進(jìn)技術(shù)，在電路設(shè)計中引入精密度較高的絕對值轉(zhuǎn)換電路。利用電路的特性對超聲波進(jìn)行大范圍的包絡(luò)，最后，通過檢測電路，向單片機技術(shù)發(fā)出中斷信號，以此來終止外部計時器的運行。其中，可以稱單片機發(fā)射一個脈沖后所啟動的顳部計數(shù)器時到外部中斷所觸發(fā)的計數(shù)器停止時間超聲波脈沖的渡越時間。

2 超聲波測距原理及系統(tǒng)組成

實際工作中，我們所談到的超聲波測距功能的實現(xiàn)主要是利用超聲波脈沖回波渡越時間來實現(xiàn)的。為了能夠加深行業(yè)界對該技術(shù)的了解，在本文的介紹中，我們詳細(xì)地指出了超聲波測距的工作原理和系統(tǒng)組成，分別如下：

2.1 超聲波測距原理

超聲波測距原理主要是通過超聲波發(fā)射裝置所發(fā)出的超聲波而進(jìn)行測距，該技術(shù)同雷達(dá)測距原理有很多相似之處，主要是利用接收器所接到的超聲波的時間差進(jìn)行計量[2]。一旦超聲波發(fā)射器開始向測距方向發(fā)出超聲波，我們需要在超聲波發(fā)射的同時開始計時，利用超聲波在空氣傳播過程中接觸到障礙物就會反射回來的原理特性，在收到反射波的同時需要及時停止計時。由此得出的數(shù)據(jù)就是超聲波所測得的距離，而該計算原理主要利用超聲波在空氣中的傳播速度與計時器實際所記錄的時間，進(jìn)而計算出超聲波發(fā)射點與障礙物的距離，即工業(yè)測距上我們所需要的數(shù)據(jù)。

2.2 超聲波系統(tǒng)組成

基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)主要由單片機、超聲波發(fā)射電路、發(fā)射接收轉(zhuǎn)換電路、接收前置放大電路、帶通濾波電路、自動增益控制電路、絕對值變換電路、檢波電路、過零檢測電路、環(huán)境溫度采集電路、存儲電路、顯示電路和超聲波傳感器組成。其中，單片機是整個超聲波系統(tǒng)構(gòu)成的核心部件，該部件主要用于協(xié)調(diào)各個部分電路的正常工作[3]。需要注意的是超聲波在實際測距過程中具備著較強的指向性，它所傳播的速度較快、范圍較廣，因此該技術(shù)經(jīng)常被應(yīng)用到實際生活中距離的測量，常見的測距儀和物位測量儀都用到了該技術(shù)。利用超聲波進(jìn)行距離檢測存在很大的優(yōu)勢，我們可以在短時間內(nèi)方便、迅速地得出較為準(zhǔn)確的測距數(shù)據(jù)，并且該測量技術(shù)的操作過程相對其他測量工具而言計算簡單、易于操作、結(jié)論準(zhǔn)確，在測量精度上也可以達(dá)到工業(yè)測距的實際要求。因此，實際生活中，超聲波測距系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 超聲波發(fā)射驅(qū)動及接收轉(zhuǎn)換電路

在系統(tǒng)硬件電路設(shè)計中，利用超聲波所發(fā)射驅(qū)動及接受轉(zhuǎn)換電路是很重要的一個環(huán)節(jié)。需要注意的是在實際運行過程中，該技術(shù)主要借助于單片機來實現(xiàn)。首先，利用單片機所產(chǎn)生的聲波脈沖信號在輸出的過程中可以利用三極管和變壓器放大自身功率，同時也可以利用變壓器進(jìn)行電壓的再次放大，放大倍數(shù)可以達(dá)到10倍，后期可以利用變壓器和電阻進(jìn)行功率的放大和限流，以免實際運行過程中由于電壓過高導(dǎo)致電路出現(xiàn)堵塞的不利現(xiàn)象。利用超聲波在實際空氣傳播過程中，受到外界物體阻礙就會立刻反射的特性，我們可以將超聲波的回波信號承載在超聲波換能器上，使得電壓所輸出的回?fù)苄盘柾ㄟ^電阻、電容進(jìn)入電路的輸入端。

3.2 自動增益控制電路

通常來說，超聲波的特性使得實際測距工作中回波信號的幅度大小會隨著實際測距距離的變化而變化，經(jīng)測量該變化幅度較大。很容易促使測距過程中因為回波信號的變化幅度過大，而出現(xiàn)測量誤差，為解決這一問題，技術(shù)人員必須利用增益控制技術(shù)來形成滿足電路的要求。利用自動增益可以在很大程度上實現(xiàn)控制電路的目的，而實現(xiàn)增益的方式有很多種，我們可以根據(jù)不同的情況設(shè)計出不同的電路，并利用單片機來實現(xiàn)聯(lián)合。而單片機則是主要利用中斷計時器原理來實現(xiàn)電路增益的，因此在一定時間內(nèi)利用定時器就可以實現(xiàn)一次中斷，可以利用查表方式取得相應(yīng)的增益數(shù)據(jù)。最后，用相應(yīng)的電路接口設(shè)置對應(yīng)的增益。

3.3 溫度補償

結(jié)合超聲波在不同氣體中傳播的特性，我們可以了解到超聲波在不同環(huán)境下的傳播速度是不統(tǒng)一的，即在固體中傳播速度最快、液體中超聲波的傳播速度最慢，與此同時它的傳播速度與傳播環(huán)境的溫度也息息相關(guān)。這就要求在實際工業(yè)測距過程中，工業(yè)測距人員必須考慮到所測量范圍的具體溫度，一旦測量環(huán)境存在溫差變化較大的情況，測距人員需要考慮溫度補償問題。倘若不考慮溫度補償問題，很容易形成巨大的測距誤差，溫度對超聲波傳播速度的影響將會從本質(zhì)上影響計算所得出的距離[4]。因此，我們必須及時重視這一問題，尋找解決溫度對超聲波造成影響的重要原因，并提出相應(yīng)的解決對策，由此，現(xiàn)階段技術(shù)人員提出了溫度補償問題，即利用溫度補償，解決實際測量過程中由于溫差過大對超聲波傳播速度所造成的影響。現(xiàn)階段，市場上所推出數(shù)字溫度計可以直接實現(xiàn)與單片機的連接，通過二者的連接來控制溫度值的變化程度，并利用該原理補償聲速。

4 結(jié)語

總之，隨著時代的進(jìn)步、科技的發(fā)展，我國在超聲波測距系統(tǒng)上取得了新的成就。同傳統(tǒng)的超聲波測距系統(tǒng)不同，新時代背景下的高精度超聲波測距系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)測距系統(tǒng)中存在的諸多不足，目前，我們已經(jīng)結(jié)合新的技術(shù)，研制出了全新的、符合測距需求的測距系統(tǒng)。當(dāng)下基于單片機下的高精度超聲波測距系統(tǒng)已經(jīng)得到了進(jìn)一步的完善，在信號處理上已經(jīng)取得了良好的效果。與此同時，單片機高精度超聲波測距系統(tǒng)也已經(jīng)在實際生活中得到了較為廣泛的應(yīng)用。再者，為了能夠更好的完善單片機超聲波測距系統(tǒng)，技術(shù)人員在研制過程中不斷尋找更成熟化的測距技術(shù)，力求將單片機高精度超聲波測量技術(shù)打造為成熟化的測距工具，并拓寬開測距技術(shù)所應(yīng)用的范圍，使得該技術(shù)能夠更好地得到社會的認(rèn)可。

參考文獻(xiàn)

[1] 何力民.系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

[2] 周航慈.單片機應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)（修訂版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002

[3] 黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[4] 樓然苗，李光飛.單片機課程設(shè)計指導(dǎo)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.