高精度超声测距系统设计

黄 丽

(武汉铁路职业技术学院，湖北 武汉 430023）

0 引言

超声测距系统是现代工业、铁路、勘探以及消费电子系统中不可缺少的技术，它要求高精度、高稳定及可控性好，特别是对精度有着越来越高的要求。本系统通过单片机实现渡越时间测量算法，并在硬件系统上采用高精度的温度补偿机制，结合软件编程算法，从而实现了精确的距离测量。且系统采用便携式设计，完全可以在现代工业、勘探以及消费电子系统得到广泛使用。

1 系统结构框图

本系统整体框图如图1所示，由MCU单片机组成的控制及算法系统、整形电路、滤波、放大电路、LCD距离显示、超声收发器以及温度测量等部分构成。

图1 高精度超声测距系统结构图

2 设计实现

2.1 渡越时间测量和距离补偿算法

渡越时间是指从超声发射器发出的超声波，经气体介质的传播后，然后反射回到接收器的时间。渡越时间与空气中的声速相乘，就是声波传输的距离，即：

式中，L为待测距离，v为超声波的声速，t为渡越时间。若用σL=vσΔt+Δtσv来表示测量误差，σL为测距误差，v 为声速，σΔt为时间测量误差，σv为声速误差。则可知提高测量精度的方法有：

（1）由于超声波在媒质中的传播速度和温度关系很大，所以必须要采取温度补偿措施，降低温度变化对测量精度的影响。采用专用数字温度传感器DS 18B20测温，然后利用下面公式来计算当前声速，从而得到补偿温度导致的影响：

（2）若要求测距误差小于0.01m，取声速v＝340m/s时，忽略声速误差，那么测量时间的误差为：0.00003s。所以必须利用脉冲计数的方法间接测量渡越时间t，可以把声波的时间精度提高到所需的准确度，也就是把超声波往返时间转化为对计数脉冲个数N的测量，所以上式（1）可写成：

式中，f为计数脉冲的频率，v为声速。

2.2 超声系统硬件部分设计

硬件系统主要包括了整形电路、滤波、放大电路、LCD距离显示、超声收发器以及温度测量等部分的设计。超声收发器部分采用频率为40kHz左右的电气方式产生超声波，由一级运算放大电路将超声控制脉冲加载到超声发射器上，经过被测物反射回来的超声经过接收端的差分放大器放大1000倍左右。放大后的信号经带通滤波、整形后输出一个脉冲信号，此脉冲信号再经过反相器送入到单片机停止计数，然后根据时间计数器的计数值算出初始距离，最后根据数字温度传感器DS 18B20测出的环境温度，对该值进行补偿得到最终距离，最终通过LCD显示出来。

2.3 软件编程实现

单片机控制系统的设计，主要完成对超声收发器脉冲的控制及计数，完成渡越时间算法及温度测量和距离补偿，同时控制一般仪器使用时所必须的显示系统。从而可以实现测量距离为0-50米，精度为0.01米的高精度程控电流源系统设计。单片机软件控制流程图如图2所示。

图2 单片机软件控制流程图

3 结论

本系统采用单片机和渡越时间算法及温度测量和距离补偿，在多种距离和不同环境温度下进行测试，其稳定性良好且精度较高，具有较强的实用价值。部分测试结果如表1所示。

［1］王荣扬,钱振华,殷勇辉.基于FPGA的互相关无串扰超声测距系统[J].计算机工程,2013(08).

［2］杨旺喜,茅嘉伟,沈明明,王荣扬.科技信息[J],2014(09).

［3］游兆延,胡志超,吴努,吴惠昌.电子设计工程[J],2014,22(6).

［4］郁亚男.电子世界[J],2014(3).

［5］李佰庚.超声波测距仪设计[J].工具技术,2012：82-85.