何凡++沈諒平++王浩

摘 要：在分析了超聲波測距原理的基礎上，結合測距系統(tǒng)所需考慮的實際問題，設計出了以單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀。該系統(tǒng)設計合理、穩(wěn)定性好、測量速度快，易于做到實時控制，并且在測量精度方面增加了溫度補償功能，因而可以達到實用的目的。

關鍵詞：超聲波；單片機；測距；溫度補償

中圖分類號：TN722 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）02-00-02

0 引 言

超聲波是一種頻率高于20 kHz[1]的特別聲波，優(yōu)點是其能夠擁有良好的方向性，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能。目前國產(chǎn)低功率超聲波探頭一般不能用于探測15 m以外的物體，而美國 AIRMAR 公司生產(chǎn)的 Airducer AR30 超聲波傳感器的作用距離可達30 m[2]，但價格昂貴。潘仲明[3]等對大作用距離超聲波傳感技術進行研究，研制了諧振頻率為 24.5kHz的新型超聲波傳感器，其作用距離超過了32 m，測量誤差小于2%。然而，超聲波測距系統(tǒng)中，超聲波的速度受溫度的影響較大，從而導致超聲測距的測距精度不高，為了進一步提高測距精度，本文運用了溫度補償?shù)姆椒▉硖岣邷y距精度。

1 超聲波測距系統(tǒng)的原理及設計

超聲波測距方法主要有三種[4]，即相位檢測法、渡越時間法和聲波幅值檢測法。其中聲波幅值檢測法易受反射波的影響，造成的誤差較大，一般不用于測距。

超聲波測距的相位檢測法是通過檢測系統(tǒng)發(fā)射的超聲波和回波的相位差，以此來判斷被測物體距離的測距方法。假設超聲波的發(fā)射信號為正弦波：

（1）

發(fā)射信號的初相位角為 φ1，回波信號為：

（2）

式（2）中，D為被測距離，c為聲速。因此發(fā)射信號與回波信號之間的相位差為：

（3）

延遲相位中包含的整周期數(shù)為N，φ'為延遲相位中不足一周的相位值，則：

（4）

雖然相位檢測法的精度高，但檢測距離很短，并且方法相對復雜。

渡越時間法是檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質傳播到接收傳感器的時間t，這個時間就是渡越時間，然后求出距離D。設t為往返時間差，則有

D=（c×t）/2 （5）

渡越時間法工作方式簡單，硬件控制和軟件設計都容易實現(xiàn)。綜合以上分析，本文采用渡越時間法。

根據(jù)式（5）可知，用渡越時間法進行測距時，距離的測量精度主要與測量時間間隔t和超聲波的速度c緊密相關。然而，超聲波也是一種聲波，其聲速c與空氣溫度有關，一般來說，溫度每升高1攝氏度，聲速相應增加0.6 m/s，表1列出了幾種溫度下的聲速。

根據(jù)表1可知，在測距時，如果溫度的變化不大，則認為聲速c是基本不變的，計算時取c為340 m/s。但當溫度變化較大時，其聲速的變化帶來的誤差不可忽略。如表1中，溫度由0攝氏度到10攝氏度時，聲速的變化為4.6%。為了進一步提高測距精度，需考慮采用溫度補償?shù)姆椒▉砑右孕Ｕ?/p>

圖1所示為基于溫度補償?shù)某暅y距系統(tǒng)。整個超聲波測距系統(tǒng)主要由三大部分組成：（1）MSP430單片機最小系統(tǒng)；（2）超聲波收發(fā)模塊；（3）溫度補償模塊。

測距系統(tǒng)的中央處理單元采用MSP430F149，這是一種新型的16位混合信號處理器，它具有超低功耗、速度快、存儲空間容量大以及片內資源豐富等優(yōu)點[5，6]。最重要的是MSP430F149的TA、TB兩個定時器分別有3個和7個CCR模塊[7]，每個模塊都具有匹配/捕獲功能，利用捕獲功能，可以輕松實現(xiàn)對超聲波從發(fā)射到返回所用時間的精確獲取。因此，本文選用MSP430F149單片機作為整個系統(tǒng)的控制核心。

圖1 超聲測距系統(tǒng)

在整個超聲波測距系統(tǒng)中，HC-SR04超聲波收發(fā)模塊、溫度傳感器DS18B20以及LCD1602液晶顯示屏在MSP430 F149單片機的驅動下正常工作。超聲波收發(fā)模塊每次向被測物體發(fā)射出以8個為一組的40 kHz的超聲波，在接收到超聲波回波信號后，將超聲波往返時間轉換成一個脈寬與往返時間相等的脈沖信號返回給單片機[8]。溫度傳感器每隔900 ms進行一次溫度測量，測量結果通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送給單片機。單片機在接收到超聲波往返時間、溫度傳感器測得的溫度等數(shù)據(jù)后，對這些數(shù)據(jù)進行處理與運算，得到最終的測量距離。

2 系統(tǒng)測距的方法及誤差分析

在本系統(tǒng)中利用MSP430F149中的捕獲模塊測量超聲波傳播時間，利用DS18B20測量環(huán)境溫度對超聲波速進行溫度補償，從而提高測距精度。空氣中聲速與溫度的關系可通過式（6）計算：

其中空氣的氣體摩爾量μ=2.9×10-2 kg/mol，氣體常數(shù)R=8.31 J/K·mol，空氣的氣體定壓熱容與定容熱容的比值r=1.4。

（6）

聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。加入溫度補償后的測量距離可表示為：

l=（331.6+0.6T）t/2 （7）

為分析系統(tǒng)的測量誤差，本文通過實際測量進行驗證，共記錄了29組實驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)共分為近距離和遠距離兩組，為了直觀的反應出超聲波測距系統(tǒng)的測距性能，分別將實測距離和相對誤差與設定距離的關系繪制成了坐標圖，具體的實際測量結果如圖2所示。

由圖2（a）可知，當設定距離與實測距離基本一致時，曲線應該是一條過原點的傾斜度為45度的直線，但當圖中的第一個數(shù)據(jù)點設定的距離為0.005 m時，所測得的實際距離為0.045 m，實測值比理論值大。圖2（b）中該點的相對誤差在整個曲線的最高點，因此第一個數(shù)據(jù)點設定的距離為0.005 m時，誤差較大。當圖2（a）中的第四個數(shù)據(jù)點設定的距離為0.02m，實測距離為0.019 m，實測值與理論值基本一致。圖2（b）中該點的相對誤差貼近水平軸，誤差較小。從圖2（a）中可以清晰的看出設定距離為0.02 m～0.10 m時，曲線基本是一條過原點的傾角為45度的直線，圖2（b）中的曲線為一條基本與水平軸重合的直線。

（a） 距離為0～0.1 m的實測值

（b） 距離為0～0.1 m的相對誤差

（c） 距離為0.5～5 m的實測值

（d） 距離為0.5～5 m的相對誤差

圖2 實際測量結果及相對誤差圖

從圖2（c）中可以看出，圖中的曲線基本是一條過原點的傾斜度為45度的直線，圖2（d）中相對誤差的曲線也基本是一條接近水平軸的直線，直到設定距離大于4.5 m時，相對誤差的曲線逐漸離開水平軸，并且保持穩(wěn)定趨勢，且誤差較大。

因此，由圖2分析可知，本設計的有效測量范圍為0.020～4.500 m，實測值與理論值基本一致。但從圖2（d）中可以看出，當設定距離為0.5 m時，相對誤差較大，實測值與理論值有一定偏差，正常情況下該點屬于有效測量范圍內的距離，應該誤差很小，造成這種情況的原因可能有兩個：（1）反射物不是很平整引起的偶然誤差；（2）超聲波在往返傳送時其中混有大量噪聲，本系統(tǒng)規(guī)模較小。

3 結 語

本文所設計的超聲波測距系統(tǒng)通過實物現(xiàn)場測試與誤差分析，表明該測距系統(tǒng)的測距范圍、測距精度等各項指標都滿足預先設定的目標。在0.020～4.500 m范圍內數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，精度較高，相對誤差最大不超過1%，具有一定的可重復性?？傮w來說，超聲波測距優(yōu)點是器件更換容易，成本低，有一定的靈活性，應用領域很廣。

參考文獻

[1]時德剛，劉嘩.超聲波測距的研究[J].計算機測量與控制，2002，9（10）：34-36.

[2] Jack Blitz.Ultrasonics methods and applications[M].London：Butterworths，1971.

[3]潘仲明，簡盈，王躍科.大作用距離超聲波傳感技術研究[J].傳感技術學報，2006，19（1）：207-210.

[4]趙小強，趙連玉.超聲波測距系統(tǒng)中的溫度補償[J].組合機床與自動化加工技術，2008（12）：62-64.

[5]蘇長贊.紅外線與超聲波遙控[M].北京：人民郵電出版社，2001.

[6]唐思超.嵌入式系統(tǒng)軟件設計實戰(zhàn)--基于IAR Embedded Workbench[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[7]廖雁鴻.動態(tài)自校正超聲液位測量系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學，2004.

[8] A1lison，R.Xin-Hua Hu，Mota，H.An ultrasonic device for source to skin surface distance measurement in patient setup[J].International Journal of Radiation Oncology Biology Physics，2005，61（5）：90-99.