超声波测距应用研究

本文介绍了基于单片机控制的超声测距原理：由AT89C51控制超声波发射模块产生超声波，同时计时，超声波碰到目标物反射到接收模块的往返时间乘以超声波传播速度得到实测距离。并用四位LED数码管显示距离。本方法具有易控制、工作可靠、测距准确度高、可读性强和流程清晰等优点。实现后的产品可用于需要测量距离参数的各种应用场合。

【关键词】超声测距 AT89C51

近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。随着机器人技术在其诞生后短短几十年中的迅猛发展，它的应用范围也逐步由工业生产走向人们的生活。机器人通过其感知系统察觉前方障碍物距离和周围环境来实现绕障、自动寻线、测距等功能。超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉，测量精度较高，不受环境的限制，应用方便，将它与红外、灰度传感器等结合共同实现机器人寻线和绕障功能。超声波由于方向性强、衰减缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，例如：距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。利用超声波检测往往响应速度快，且计算方便、易于实时控制，测量精度也能达到工业现场的要求，因此在现代控制和工业现场该方法得到广泛的应用。

1 超声波测距的原理

超声波是指频率高于20kHZ的机械波，其频率较高，波长很短，在一定距离内沿直线传播，具有优异的束射性与方向性。超声波测距正是利用此特性，首先测出超声波从发射到遇到障碍物反射回来所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。测距的数学公式表示为：

S=C×T

式中S为测量的距离；C为超声波在介质中的传播速度；T为超声波传播的时间（T为发射到接收时间数值的1/2）。

2 误差分析

由超声波测距公式S=C×T，可知测距的误差又两个因素，其一为超声波的传播速度误差，其二为测量距离传播的时间误差。

2.1 时间误差

如果要求测距误差小于1mm，假设已知超声波速度C=340m/s （20℃室温），忽略声速的传播误差。时间误差?t≤0.001/340≈0.000029s，即2.9μs。

忽略超声波传播速度误差的前提下，时间误差精度只要达到微秒级，就能达到测距误差小于1mm的要求。实际测量中用12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能可靠的计数到1μs的精度，即满足设计要求。

2.2 超声波传播速度误差

超声波的传播速度与空气的密度相关，空气的密度高则传播速度就快，而空气的密度与温度有着密切的联系。根据实际测量经验，超声波速度与温度关系如下：

C≈C0

公式中：T为空气的绝对温度。

C0为零摄氏度时的声波传播速度332m/s； 超声波测距过程中就必须把超声波传播的环境温度考虑进去，例如当温度0℃时超声波速度是332m/s， 30℃时是350m/s。

3 系统硬件设计

单片机控制发出超声波，不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差ΔT，然后求出距离S=C.ΔT/2，式中的C为超声波波速。

首先我们知道AT89C51系列单片机内部是有2个16位定时器/计数器的，那么我们就用这个计时器进行计时。并且该系列单片机内部有一个寄存器，我们可以将从计时器获得数据进行处理并寄存在单片机的寄存器中，利用单片机软件编程与预存的超声波传播速度相乘，得出测量距离通过显示电路将数据显示出来。超声波测距系统结构图如图1所示。

单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用比较电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为ΔT，等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够达到要求。再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。用复位电路重置系统后可进行下一次测试。

4 系统软件设计

软件采用模块化设计方法，由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断子程序、温度测量子程序、距离计算子程序、显示子程序、键盘扫描处理程序等模块组成。

5 结论

该系统整体电路的控制核心为单片机AT89C51。超声波发射和接收电路中都对相应信号进行整形及放大，以保证测量结果尽可能精确。超声波探头接口实现超声波的发射和接收。等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整。整体结构包括超声波发射电路、超声波接收电路、放大电路、比较电路、震荡电路、单片机电路、键盘输入电路、电源电路、复位电路、显示电路等几部分模块组成。经过设计调试该系统能够满足一般近距离测距的要求，且成本较低、有良好的性价比。当今汽车普及到千家万户，倒车雷达的需求不可谓不大，而本设计方法可以广泛的应用于倒车雷达的测距中，所以其经济效益非常可观。

限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。

作者单位

长沙航空职业技术学院 湖南省长沙市 410124