基于單片機設計超聲波測距系統的簡述

蔣禮林 李宇

摘 要：隨著社會的不斷發展與進步，帶動了科學技術的迅速發展，同時科學技術應用于軍事和民用的各個領域，給人們的生活帶來了極大的方便。基于單片機設計的超聲波測距系統充分利用了超聲波的各項特點能為人們的應用提供極好的服務。由于測距在很大程度上依賴于方向，而超聲波具有強束射性的特性，所以它被廣泛用于測距系統中。采用超聲波測距具有快速、便捷、易于計算和實時監控的優勢，并且能滿足工業上對測量精度的要求，從而它已被廣泛應用于汽車安全系統、海洋檢測和機器人等領域。本文簡述了基于單片機設計超聲波測距系統的相關研究，并有利于從事該項研究的人員進行分析與參考。

關鍵詞：單片機設計;超聲波測距系統;束射性;海洋檢測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.131

0 引言

隨著現代科技的蓬勃發展，超聲波已廣泛應用于各類傳感器。由于捕獲信息途徑的多樣化，只靠單一傳感器采集的信息具有精度差和不完整的缺點，從而容易導致信息發生偏差或錯誤。然而，基于超聲波技術的傳感器具有準確性高和完備性好的特點，能很好地彌補單一傳感器數據采集的缺陷。在超聲波測距體系中，由于信息表現形式的多樣性、信息數量的巨大性、信息關系的復雜性以及獲取信息處理的及時性和準確性，已遠遠超出了人腦的對信息綜合處理能力。因此，基于單片機設計的超聲波測距系統具有廣泛的應用領域，能為人們的生活提供廣泛的服務。

1 基于單片機設計的超聲波測距系統的重要性

伴隨著科學技術的迅猛發展，傳感器廣泛應用于超聲波技術的實例越來越多，這是人類文明走向科技發展道路的體現。傳感技術在科學技術變革中扮演先行者的角色，它體現了整個技術領域的關鍵技術。鑒于世界各國有關研究、生產、應用部門中，傳感器是發展最快的產業之一。基于單片機設計的超聲波測距系統的基本思想就是利用超聲波的時間和速度之間函數關系計算被測物體的距離，并用超聲波來代替傳感器，最終實現對距離的測量，并對測距系統的效果有較好的影響。近年來，國外和國內團隊加強了超聲波測距系統的研究，極大地提升和完善了超聲波測距系統的應用。測量模型建模方法具有多樣性，然而如何選擇可測變量、怎樣對測量數據進行處理以及如何對數據庫進行在線更新等等就成為了超聲波測距的關鍵步驟。超聲波在傳感器中作用的分析如下：

（1）超聲波測距與同類型非接觸式的測距方式（如電磁法、光學法）相比較，電磁法雖然不會受到光線強弱的干擾，但是會受到磁場的影響;而超聲波測距法具有避免光線強弱、物體大小以及周圍電磁的干擾的優勢性。超聲波測距系統對于測量目標所處的環境有一定的適應能力，已被廣泛應用于各種條件的測量，主要體現在液位測量、機械手控制、車輛自動導航和目標識別等方面，特別是在空氣中的使用最為突出。

（2）超聲波是一種目標性強，能量損耗較慢的聲波，它可以在各種介質中進行，并且運行距離也比較遠，超聲波通常被用于距離的測量，特別是距離較遠的測量工作。

（3）超聲波是一種具有反射，折射，散射等聲波傳送的物理性質的聲波，它不僅可以與物理產生靈活、緊密的聯系，還可以對溫度、粉塵濃度和濕度以及電磁干擾較高的環境下工作。通過計算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳播距離來進行距離的測量，超聲波的速度不會受到頻率的影響。超聲波的優勢越來越被人們所喜愛。

2 基于單片機設計的超聲波測距系統的工作原理

（1）超聲波測距系統的工作原理是通過將單片機發出的短暫的脈沖信號進行放大后利用超聲波換能器將能量輸出，再將超聲波換能器反射回來的信號輸入到系統和信號處理，并通過單片機計算出時間，再由系統將數據進行判斷，最后將判斷后的數據通過LED顯示電路顯示出來。這個過程主要是由單片機系統、超聲波發射和檢測電路完成。超聲波發射器負責讓超聲波在空氣中以特定的速度（v）傳播，在觸碰到檢測物體后又通過被測物體將信號反射回來，由接收機記錄接收的時間（t）和信號，最后由速度和時間的關系計算出被測物體的距離。由于超聲波的速度會受到溫度的影響，所以在進行檢測時需要注意對溫度的控制。

（2）超聲波測距系統的發送與接收電路的設計是由超聲波產生信號，并通過單片機的端口將脈沖群發送（每個脈沖群維持的時間約為1/5000s），再通過三極管將信號進行放大，然后經過變壓器驅動超聲波發射頭，之后在發射轉換能的兩端加上高電壓驅動內部的壓電晶片，最后通過壓電換能器將脈沖超聲波發出。當超聲波觸碰到被測物體時就會形成反射波，同時反射波會將信息返回到傳感器上，最后傳感器再將傳回的信息進行處理顯示。

超聲波傳感器的主要指標如下：

1）傳感器工作的頻率就是指壓電晶片震動的頻率，當發射轉換能兩端頻率與壓電晶片頻率越接近時，輸出的能量也就越大靈活度也就越高。

2）傳感器工作時的溫度取決于超聲波使用時的功率，特別是用于醫療診斷的超聲波探頭，超聲波探頭的功率越小，工作的溫度也就越低，可以保證超聲波能夠長時間使用。

3）傳感器工作時的靈活度取決于壓電晶片制造是機電耦合系數的大小，機電耦合系數越大，那么靈活度就會越高;反之，機電耦合系數越小，靈活度越低。

（3）超聲波發送的脈沖信號是由單片機產生的，脈沖信號通過三極管將之放大到一定程度在用驅動超聲波換能器將超聲波發射出去，再有脈沖超聲發射返回的時間計算出被測物體的距離。超聲波的發射利用了逆電壓效應，在壓電晶片上施加一定的作用力，使壓電晶片產生相互作用力從而推動超聲波發射。

3 超聲波的算法分析

如表1所示為不同溫度下的超聲波聲速，如超聲波發生器在某一時段發出超聲波信號，當超聲波接觸到被測物體時就會反射回到超聲波接收器中，這樣只需要計算超聲波發出和反射回來的時間，就可以計算出超聲波發生器與被測物體的距離，距離測算公式為：。d代表的是被測的距離，s表示聲波發射和返回的路程，v表示超聲波的速度，t表示超聲波發出到返回的時間。超聲波往返的時間與溫度之間有著密切的聯系（見表1）。如果溫度的變化不是很大，則可近似認為超聲波的速度保持不變，如能夠確定超聲波來回的時間，最后就能夠確定超聲波發生器與被測物體的距離。

4 超聲波測距系統誤差分析

4.1 超聲波的聲速對測量精確度的影響

準確確定超聲波的聲速是保證測量精確度的首要條件，因為傳播介質的溫度、壓力和密度都會對超聲波的聲速造成不同程度的影響。傳播介質中超聲波速率的變化對超聲波測距精確的影響因素分析如下：

（1）傳播介質的中溫度對超聲波聲速的影響。聲波在大氣中傳播時，溫度的變化是造成超聲波聲速變化的主要原因。可以利用設定聲速和結合控制傳播介質的溫度來對聲速進行修改，此方法可有效減小因傳播介質溫度的變化帶來的誤差。如果對測量精確度要求不高時，可不用對溫度進行調節。一般情況，當溫度為20℃左右時，波速度可取340m/s作為定量計算;當溫度在-10℃～40℃之間變化時，超聲波聲速的誤差在-5%～5%之間變動。如果測量的地點是在室外，可以將該地區不同季節的溫度變化做一個統計，再根據測量精度要求對溫度進行一定的調節，這樣可以減小測量誤差和節約成本。

（2）傳播介質的中空氣密度對超聲波聲速的影響。當空氣的密度增大時，可知超聲波的聲速就會變大，反之，當空氣的密度減小時，超聲波的聲速就會變小。另外，空氣密度和溫度也存在一定的關聯。超聲波聲速與溫度之間關系可表示為：

其中，d表示超聲波測出的距離，v表示超聲波在傳播介質中的聲速，v0表示溫度為零攝氏度時超聲波的聲速332m/s，t表示超聲波發出到返回的時間，T（℃）表示傳播介質的溫度。另外，近似公式：v=v0+0.607×T，其中v0表示溫度為零攝氏度時超聲波的聲速332m/s，T表示測量時的傳播介質的實際溫度。如果超聲波測距的精確度要求是在1mm的話，那么必須考慮將超聲波的速率與環境溫度之間的關系。比如當溫度在零攝氏度時，超聲波的聲速是332m/s，當溫度在30℃時超聲波的聲速是350m/s，可知當溫度每增加30℃超聲波聲速相應增加18m/s。如果環境溫度保持在0～30℃之間，則測量距離為100m的誤差約為5m。

4.2 時間誤差對超聲波測距精確度的影響分析

如果超聲波測距的精確度要求是在1mm時，當室溫為20℃時超聲波聲速取344m/s，忽略聲速的誤差，測距的時間約為2.907μs。在超聲波聲速值是準確的條件下，只要將測距的傳播時間的誤差限定在微秒（μs）范圍內，就可以保證測距的精確度小于等于1mm。

5 結束語

隨著科技和經濟的不斷進步與發展，人們對于超聲波的運用已越來越廣泛。如今在我國大部分基于單片機設計的超聲波測距系統已經使用進了全新的方法，不僅提高了我國工業的經濟效益，在更大程度上對于我國的工業發展有著很積極的作用。全球經濟化使得社會不斷地向前發展著，為了能夠提供更多更好的合理化超聲波測距技術，就必須先了解其性能，同時對其發展趨勢做出合理的分析，進而對產品進行創新性改進和設計，滿足市場的需求。總之，根據目前社會發展和全球一體化發展的趨勢下，必須要創新性地設計和優化超聲波測距系統，才能夠讓基于單片機設計的超聲波測距系統在未來得到更好的發展。

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基金項目：廣西省高等教育本科教學改革工程項目，編號：2012JGA217。

作者簡介：蔣禮林（1978-），男，壯族，廣西桂林人，研究生，副研究員，研究方向：基于虛擬實驗和電子系統設計。