基于温度补偿的超声测距系统设计

何凡++沈谅平++王浩

摘 要：在分析了超声波测距原理的基础上，结合测距系统所需考虑的实际问题，设计出了以单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪。该系统设计合理、稳定性好、测量速度快，易于做到实时控制，并且在测量精度方面增加了温度补偿功能，因而可以达到实用的目的。

关键词：超声波；单片机；测距；温度补偿

中图分类号：TN722 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）02-00-02

0 引 言

超声波是一种频率高于20 kHz[1]的特别声波，优点是其能够拥有良好的方向性，穿透能力强，易于获得较集中的声能。目前国产低功率超声波探头一般不能用于探测15 m以外的物体，而美国 AIRMAR 公司生产的 Airducer AR30 超声波传感器的作用距离可达30 m[2]，但价格昂贵。潘仲明[3]等对大作用距离超声波传感技术进行研究，研制了谐振频率为 24.5kHz的新型超声波传感器，其作用距离超过了32 m，测量误差小于2%。然而，超声波测距系统中，超声波的速度受温度的影响较大，从而导致超声测距的测距精度不高，为了进一步提高测距精度，本文运用了温度补偿的方法来提高测距精度。

1 超声波测距系统的原理及设计

超声波测距方法主要有三种[4]，即相位检测法、渡越时间法和声波幅值检测法。其中声波幅值检测法易受反射波的影响，造成的误差较大，一般不用于测距。

超声波测距的相位检测法是通过检测系统发射的超声波和回波的相位差，以此来判断被测物体距离的测距方法。假设超声波的发射信号为正弦波：

（1）

发射信号的初相位角为 φ1，回波信号为：

（2）

式（2）中，D为被测距离，c为声速。因此发射信号与回波信号之间的相位差为：

（3）

延迟相位中包含的整周期数为N，φ'为延迟相位中不足一周的相位值，则：

（4）

虽然相位检测法的精度高，但检测距离很短，并且方法相对复杂。

渡越时间法是检测从发射传感器发射的超声波经气体介质传播到接收传感器的时间t，这个时间就是渡越时间，然后求出距离D。设t为往返时间差，则有

D=（c×t）/2 （5）

渡越时间法工作方式简单，硬件控制和软件设计都容易实现。综合以上分析，本文采用渡越时间法。

根据式（5）可知，用渡越时间法进行测距时，距离的测量精度主要与测量时间间隔t和超声波的速度c紧密相关。然而，超声波也是一种声波，其声速c与空气温度有关，一般来说，温度每升高1摄氏度，声速相应增加0.6 m/s，表1列出了几种温度下的声速。

根据表1可知，在测距时，如果温度的变化不大，则认为声速c是基本不变的，计算时取c为340 m/s。但当温度变化较大时，其声速的变化带来的误差不可忽略。如表1中，温度由0摄氏度到10摄氏度时，声速的变化为4.6%。为了进一步提高测距精度，需考虑采用温度补偿的方法来加以校正。

图1所示为基于温度补偿的超声测距系统。整个超声波测距系统主要由三大部分组成：（1）MSP430单片机最小系统；（2）超声波收发模块；（3）温度补偿模块。

测距系统的中央处理单元采用MSP430F149，这是一种新型的16位混合信号处理器，它具有超低功耗、速度快、存储空间容量大以及片内资源丰富等优点[5，6]。最重要的是MSP430F149的TA、TB两个定时器分别有3个和7个CCR模块[7]，每个模块都具有匹配/捕获功能，利用捕获功能，可以轻松实现对超声波从发射到返回所用时间的精确获取。因此，本文选用MSP430F149单片机作为整个系统的控制核心。

图1 超声测距系统

在整个超声波测距系统中，HC-SR04超声波收发模块、温度传感器DS18B20以及LCD1602液晶显示屏在MSP430 F149单片机的驱动下正常工作。超声波收发模块每次向被测物体发射出以8个为一组的40 kHz的超声波，在接收到超声波回波信号后，将超声波往返时间转换成一个脉宽与往返时间相等的脉冲信号返回给单片机[8]。温度传感器每隔900 ms进行一次温度测量，测量结果通过数据总线发送给单片机。单片机在接收到超声波往返时间、温度传感器测得的温度等数据后，对这些数据进行处理与运算，得到最终的测量距离。

2 系统测距的方法及误差分析

在本系统中利用MSP430F149中的捕获模块测量超声波传播时间，利用DS18B20测量环境温度对超声波速进行温度补偿，从而提高测距精度。空气中声速与温度的关系可通过式（6）计算：

其中空气的气体摩尔量μ=2.9×10-2 kg/mol，气体常数R=8.31 J/K·mol，空气的气体定压热容与定容热容的比值r=1.4。

（6）

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。加入温度补偿后的测量距离可表示为：

l=（331.6+0.6T）t/2 （7）

为分析系统的测量误差，本文通过实际测量进行验证，共记录了29组实验数据。数据共分为近距离和远距离两组，为了直观的反应出超声波测距系统的测距性能，分别将实测距离和相对误差与设定距离的关系绘制成了坐标图，具体的实际测量结果如图2所示。

由图2（a）可知，当设定距离与实测距离基本一致时，曲线应该是一条过原点的倾斜度为45度的直线，但当图中的第一个数据点设定的距离为0.005 m时，所测得的实际距离为0.045 m，实测值比理论值大。图2（b）中该点的相对误差在整个曲线的最高点，因此第一个数据点设定的距离为0.005 m时，误差较大。当图2（a）中的第四个数据点设定的距离为0.02m，实测距离为0.019 m，实测值与理论值基本一致。图2（b）中该点的相对误差贴近水平轴，误差较小。从图2（a）中可以清晰的看出设定距离为0.02 m～0.10 m时，曲线基本是一条过原点的倾角为45度的直线，图2（b）中的曲线为一条基本与水平轴重合的直线。

（a） 距离为0～0.1 m的实测值

（b） 距离为0～0.1 m的相对误差

（c） 距离为0.5～5 m的实测值

（d） 距离为0.5～5 m的相对误差

图2 实际测量结果及相对误差图

从图2（c）中可以看出，图中的曲线基本是一条过原点的倾斜度为45度的直线，图2（d）中相对误差的曲线也基本是一条接近水平轴的直线，直到设定距离大于4.5 m时，相对误差的曲线逐渐离开水平轴，并且保持稳定趋势，且误差较大。

因此，由图2分析可知，本设计的有效测量范围为0.020～4.500 m，实测值与理论值基本一致。但从图2（d）中可以看出，当设定距离为0.5 m时，相对误差较大，实测值与理论值有一定偏差，正常情况下该点属于有效测量范围内的距离，应该误差很小，造成这种情况的原因可能有两个：（1）反射物不是很平整引起的偶然误差；（2）超声波在往返传送时其中混有大量噪声，本系统规模较小。

3 结 语

本文所设计的超声波测距系统通过实物现场测试与误差分析，表明该测距系统的测距范围、测距精度等各项指标都满足预先设定的目标。在0.020～4.500 m范围内数据比较稳定，精度较高，相对误差最大不超过1%，具有一定的可重复性。总体来说，超声波测距优点是器件更换容易，成本低，有一定的灵活性，应用领域很广。

参考文献

[1]时德刚，刘哗.超声波测距的研究[J].计算机测量与控制，2002，9（10）：34-36.

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

[3]潘仲明，简盈，王跃科.大作用距离超声波传感技术研究[J].传感技术学报，2006，19（1）：207-210.

[4]赵小强，赵连玉.超声波测距系统中的温度补偿[J].组合机床与自动化加工技术，2008（12）：62-64.

[5]苏长赞.红外线与超声波遥控[M].北京：人民邮电出版社，2001.

[6]唐思超.嵌入式系统软件设计实战--基于IAR Embedded Workbench[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[7]廖雁鸿.动态自校正超声液位测量系统研究与实现[D].武汉：华中科技大学，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.