便携式超声波测距仪的实现

蒲忱 秦川

摘要：本文详细介绍了超声波测距的原理，并选取了高精度的超声波模块。详细介绍了该超声波模块的原理、使用方法以及特性。结合T89C2051，基于所选取的超声波模块设计出便携式超声波测距仪。同时考虑到测试环境温度对测量精度的影响，加入了温度采集系统，很大程度上提高了超声波测距仪的精度。

关键词：超声波；距离测量；HC-SR04；温度补偿The realization of the portable ultrasonic range finder

Pu ChenYu Dongmiao

Abstract:This paper introduces in detail the principle of ultrasonic ranging, and select the high precision ultrasonic module. Introduces in detail the principle of the ultrasonic module, using methods and features. Combining T89C2051, based on the selected ultrasonic module design of the portable ultrasonic range finder. At the same time considering the test environment's influence on the accuracy of measurement temperature, joined the temperature acquisition system, to a great extent improve the precision of the ultrasonic range finder.

Key words:ultrasonic wave；Distance measurement；HC-SR04；Temperature compensation在工程現场应用中，距离测量一直占据着很重要的地位。尤其是考虑到传统的测量方法在测量精度、测量效率方面的劣势，原有的直接测量方式已经远远不能满足现当代人们的需求。在电站的建设、以及建成后运行维护的过程中经常会对深井、管道、液位等长度进行测量，传统的测距方式也不能完成测距任务。因此，传统的测量方法将逐步被非接触式测量方式取代[1]。

非接触式距离测量的方法有很多种，如雷达、激光、射线、超声波等[2]。其中，超声波技术以其不受光、电磁波及粉尘等干扰的特性，常常受到便携式测距仪设计者的青睐。同时，基于超声波技术的便携式测距仪拥有成本低、功耗小、精度高等特点，因此超声波便携式测距仪一直在市场上受到使用者的好评。

1超声波测距简介

1.1 测距原理

要了解超声波测距的原理，就必须对超声波的特性进行一定了解。所谓超声波，即频率高于20Khz的声波。超声波具有穿透性强，方向性好，易于获得较为集中的声能等特性。

超声波测距的原理如图1所示。首先，通过超声波发射装置将超声波脉冲发射出来，超声波遇到障碍物（也就是被测物）后被反射回来，超声波接收装置对反射回来的超声波脉冲进行探测。若能够测量出发射出超声波脉冲和接收到超声波脉冲的时间差为t，利用公式（1）便可以测算出超声波传感器和障碍物之间的传播距离s。

继而可以通过公式（2）计算出实际测量距离d。

由公式（2）可知，当s>>h时，则存在d≈s。

1.2 温度补偿

在常温下，空气可以被近似看为理想的气体。由公式（3）[3]可以算出超声波在空气中的传播速度v。

式中：r为气体的比热比；μ为气体的摩尔质量；R为气体常数；T为热力学温度。

由式（3）可知超声波的声速与热力学温度的平方根成正比。因此，温度越高声速就越大。当温度为0℃的时候，空气中声速的实测值为331.45m/s，因此在空气中声速的表达式为：

式中，t为空气温度（℃），T0=273.16℃。由公式（4）可得，当温度为25℃时，声速V=346.285m/s。

由此可知，当温度在一定范围内变化时，如0℃-25℃变化，声速也会随之发生较大的变化，由公式（1）和（2）可知，声速变化会直接导致最终的测量结果变化。因此在设计基于超声波的便携式测距仪时，需要充分考虑到温度的影响。

1.3 测距系统组成

测距系统由五大部分组成，即显示及按键部分，控制部分，温度检测部分，超声波模块以及电源部分，如图2所示。

由电子显示屏对检测的距离数据进行显示，同时由按键部分控制测量开始。由于存在温度的干扰，因此需要一个独立的温度精确检测部分。由核心控制部分对超声波模块的信号进行接收处理，同时结合温度检测系统的数据进行距离测算，然后将测得的距离数据发送给显示部分进行显示。电源部分针对不同部分的电源需求对各个部分进行供电。

2超声波模块介绍

2.1 超声波模块选取和简介

现如今，市面上有很多超声波模块供设计人员选择，因此，在设计超声波测距仪时不需要自行设计超声波收发电路。国外的超声波模块主要有SRF02和SRF05两种。这两款模块的探测区间都为15cm-600cm，通信方式可选用I2C或串口。由于这两种超声波模块的价格十分昂贵，因此国内出现了一种该系列产品的替代品—HC-SR04，其外观图如图3所示。

HC-SR04系列的超声波模块具有价格便宜，功耗低，接口简单等特性，其主要电气特性参数如表1所示。

2.2 HC-SR04工作原理

HC-SR04提供四个插脚和外围设备进行通信，这四个插脚的示意图如图4所示。

由此可知HC-SR04的各管脚功能如下：

⑴1和4管脚为模块的电源管脚；

⑵2管脚为触发引脚；

⑶3管脚为信号接收引脚。

由HC-SR04的使用手册可知，HC-SR04模块的工作原理为如下几个步骤：

⑴采用IO触发测距，IO发出至少持续10us的高电平信号；

⑵模块自动发送8个40Khz的方波，然后自动检测是否有信号返回；

⑶有信号返回，通过模块3管脚输出一个高电平。该高电平的持续时间则为超声波从发射到返回的时间。

该超声波模块的整个工作过程如图5所示。

3硬件电路设计

综合考虑到便携式超声波测距仪的具体使用情况和成本控制，决定使用AT89C51作为本设计的主控芯片。

3.1 超声波模块电路

结合超声波模块的管脚设定，所设计的超声波模块电路如图6所示。

如图6所示，将HC-SR04的触发管脚和单片机的28管脚相接，因此单片机可以通过该管脚发出一个持续时间大于10us的高电平来触发HC-SR04，驱动其工作。同时，将HC-SR04信号输出管脚3和单片机的T0管脚相接，以此读取回响电平持续时间。从而使HC-SR04模块能够正常工作。

3.2显示电路

考虑到超声波距离测量仪的便携性，因此采用时下较为常用的显示模块—LCD1602来显示测距仪的测量结果。该显示屏具有结构紧凑、低功耗、高可靠性以及长寿命等特点。

AT89C51驱动LCD1602的电路图如图7所示。由图7可知，LCD1602的接口电路较为简单，同时可以通过一个电位器对屏幕亮度进行调节，因此可以使该测距仪更具有实用性。

3.3 温度测量电路

由1.2节可知，测试环境温度对测量结果有着较大的影响，因此检测系统需要一个温度检测部分对检测结果进行校正。

在此选择DS18B20作为温度测量的核心传感器。DS18B20具有结构简单、精度较高、价格低廉以及功耗较低等特性[4]。DS18B20可以直接将所测得的温度信号输入单片机。该芯片所能够测量的范围为-55℃~125℃，能够满足绝大多数的测量温度要求。由DS18B20组成的测温电路如图8所示。

3.4 开关电路

检测系统中需要一个开关来控制检测的开始。开关电路如图9所示，单片机的P1.7管脚常为高电平，当开关按下，该管脚变为低电平，因此测量开始。

4程序设计

在本系统中，程序设计主要采用模块化的设计，程序设计主要包括主程序设计、按键扫描子程序设计、测温子程序、距离测算子程序、显示子程序以及延时子程序等。

主程序流程图如图10所示。由于篇幅的限制，在此就不对各子程序做一一介绍。

6总结

本文针对现有的距离测量方案的不足提出来便携式超声波测距仪的方案，充分考虑到便携式测距仪的使用场合和特性，具有较高的参考价值。

[参考文献]

[1]阎焕忠,王长涛,王鑫,闵莉.便携式超声波测距仪设计[J].科技广场．2008(12)．

[2]刘民.超声波测距仪的研制[M].湖北工业大学, 2005(5):3-4．

[3]赵珂,向瑛,等.高准确度超声波测距仪的研制[J]．传感器技术．2003,22(2)．

[4]张军.智能温度传感器DSl8820及其应用[J].仪表技术，2010(4)}68—70．