基于单片机的高精度超声波测距系统研究

霍海波

摘要：随着时代的进步，科技的创新，我国在很多领域都取得了巨大的成效。在现代化工业生产进程中，应用较为广泛的是利用超声波进行距离非接触式的测量，当下，该技术已经趋于成熟化。在工业生产进程中应用较为广泛的有液位的测量、机器人的定位、辅助视觉系统、车位的定位与导航等，利用单片机进行的高精度超声波测距能够详细地从中得出相应的数据测试结果。实际工作中我们可以利用高精度的超声波技术自身的一些特点，进行总结分析，制定出全新的、精度较高的超声波测距系统，并将该技术应用到一些恶劣的环境中，进行测距工作。事实上，在实际现代化工业生产进程中，我国现阶段所拥有的超声波测距技术的发展还不够成熟，使得所制作的超声波测距仪所测得的数据精密度一贯偏低。为了从真正意义上研究出适应新时代工业化生产的高精度超声波测距系统，我们针对“基于单片机的高精度超声波测距系统”这一话题展开了一个深刻的探讨，从回波信号处理的角度出发，分析出了超声波曲线的独有特性，并以单片机为核心，介绍了基于单片机技术的高精度超声波测距系统。

关键词：单片机;高精度;超声波;测距系统

中图分类号：F275          文献标识码：A

基于单片机的高精度超声波测距系统是一种新时代下技术产物，该技术的引入可以在很大程度上提高我国企业工业化生产进程的工业测距工作，充分发挥高精度超声波测距系统的独有作用。但传统的超声波测距系统还存在着很多不足，技术的不完善使得该技术在实际工业生产测距过程中出现了很多问题。基于不同环境之下的单片机超声波测距系统所得出的测距数据是不一致的，在一些较为恶劣、有毒的环境下，我们很难得出较为准确的数据。为此，现阶段我国加大了对超声波测距系统的研究与改进，引入了基于单片机的高精度超声波测距系统，以此来解决实际测距工作中由于环境或者其他因素造成的回波信号过差、测量数据错誤等不利工业测量现象。由此，新时代下的高精密度超声波测距系统具备了全新的距离测控特性，解决了传统工业距离测量中所存在的差别，分析了出现测量误差的具体原因，并构建出全新的、适应新时代背景下工业测量的工业距离测控工具。

1 回波信号包络研究

基于单片机下的高精度超声波测距系统对工业距离的测量结果有着很高的要求标准，同传统的超声波工业测距方式相比具有其独有的特性。我国传统的超声波工业测距方案较为陈旧，该测距方式已经不适合当今时代背景的发展，利用传统固定电平来判断回波的具体到达时刻的超声波测距方案存在着较大的误差，并不能测出实际距离。其中，误差有大有小，过大的误差将会在很大程度上影响到我国工业化进程的有效开展，并对后续工业工作的正常开展造成巨大的影响。我们针对这一工业测距误差展开了一个系统化的讨论，并作出了相应的技术性改革[1]。针对这种测距误差所提出的可变阈值的超声波测距方式，技术人员可以对其进行详细的分析、调查，并寻找出导致工业测量数据出现误差的根本原因，最初所得出的结论是因工业环境中存在干扰信号的因素，使得超声波测距主芯片会在实际测量中产生误差，错误的判断回波时刻的到来，进而促使工业测量中所得出的测量数据不准确。通过精密的研究，我们可以得出一个全新的理论：实际工业测距过程中超声回波在脉宽实践中，电压可以达到最大峰值。在接收电路的过程中，我们可以利用电路的特性进行改进技术，在电路设计中引入精密度较高的绝对值转换电路。利用电路的特性对超声波进行大范围的包络，最后，通过检测电路，向单片机技术发出中断信号，以此来终止外部计时器的运行。其中，可以称单片机发射一个脉冲后所启动的颞部计数器时到外部中断所触发的计数器停止时间超声波脉冲的渡越时间。

2 超声波测距原理及系统组成

实际工作中，我们所谈到的超声波测距功能的实现主要是利用超声波脉冲回波渡越时间来实现的。为了能够加深行业界对该技术的了解，在本文的介绍中，我们详细地指出了超声波测距的工作原理和系统组成，分别如下：

2.1 超声波测距原理

超声波测距原理主要是通过超声波发射装置所发出的超声波而进行测距，该技术同雷达测距原理有很多相似之处，主要是利用接收器所接到的超声波的时间差进行计量[2]。一旦超声波发射器开始向测距方向发出超声波，我们需要在超声波发射的同时开始计时，利用超声波在空气传播过程中接触到障碍物就会反射回来的原理特性，在收到反射波的同时需要及时停止计时。由此得出的数据就是超声波所测得的距离，而该计算原理主要利用超声波在空气中的传播速度与计时器实际所记录的时间，进而计算出超声波发射点与障碍物的距离，即工业测距上我们所需要的数据。

2.2 超声波系统组成

基于单片机的超声波测距系统主要由单片机、超声波发射电路、发射接收转换电路、接收前置放大电路、带通滤波电路、自动增益控制电路、绝对值变换电路、检波电路、过零检测电路、环境温度采集电路、存储电路、显示电路和超声波传感器组成。其中，单片机是整个超声波系统构成的核心部件，该部件主要用于协调各个部分电路的正常工作[3]。需要注意的是超声波在实际测距过程中具备着较强的指向性，它所传播的速度较快、范围较广，因此该技术经常被应用到实际生活中距离的测量，常见的测距仪和物位测量仪都用到了该技术。利用超声波进行距离检测存在很大的优势，我们可以在短时间内方便、迅速地得出较为准确的测距数据，并且该测量技术的操作过程相对其他测量工具而言计算简单、易于操作、结论准确，在测量精度上也可以达到工业测距的实际要求。因此，实际生活中，超声波测距系统得到广泛的应用。

3 系统硬件电路设计

3.1 超声波发射驱动及接收转换电路

在系统硬件电路设计中，利用超声波所发射驱动及接受转换电路是很重要的一个环节。需要注意的是在实际运行过程中，该技术主要借助于单片机来实现。首先，利用单片机所产生的声波脉冲信号在输出的过程中可以利用三极管和变压器放大自身功率，同时也可以利用变压器进行电压的再次放大，放大倍数可以达到10倍，后期可以利用变压器和电阻进行功率的放大和限流，以免实际运行过程中由于电压过高导致电路出现堵塞的不利现象。利用超声波在实际空气传播过程中，受到外界物体阻碍就会立刻反射的特性，我们可以将超声波的回波信号承载在超声波换能器上，使得电压所输出的回拨信号通过电阻、电容进入电路的输入端。

3.2 自动增益控制电路

通常来说，超声波的特性使得实际测距工作中回波信号的幅度大小会随着实际测距距离的变化而变化，经测量该变化幅度较大。很容易促使测距过程中因为回波信号的变化幅度过大，而出现测量误差，为解决这一问题，技术人员必须利用增益控制技术来形成满足电路的要求。利用自动增益可以在很大程度上实现控制电路的目的，而实现增益的方式有很多种，我们可以根据不同的情况设计出不同的电路，并利用单片机来实现联合。而单片机则是主要利用中断计时器原理来实现电路增益的，因此在一定时间内利用定时器就可以实现一次中断，可以利用查表方式取得相应的增益数据。最后，用相应的电路接口设置对应的增益。

3.3 温度补偿

结合超声波在不同气体中传播的特性，我们可以了解到超声波在不同环境下的传播速度是不统一的，即在固体中传播速度最快、液体中超声波的传播速度最慢，與此同时它的传播速度与传播环境的温度也息息相关。这就要求在实际工业测距过程中，工业测距人员必须考虑到所测量范围的具体温度，一旦测量环境存在温差变化较大的情况，测距人员需要考虑温度补偿问题。倘若不考虑温度补偿问题，很容易形成巨大的测距误差，温度对超声波传播速度的影响将会从本质上影响计算所得出的距离[4]。因此，我们必须及时重视这一问题，寻找解决温度对超声波造成影响的重要原因，并提出相应的解决对策，由此，现阶段技术人员提出了温度补偿问题，即利用温度补偿，解决实际测量过程中由于温差过大对超声波传播速度所造成的影响。现阶段，市场上所推出数字温度计可以直接实现与单片机的连接，通过二者的连接来控制温度值的变化程度，并利用该原理补偿声速。

4 结语

总之，随着时代的进步、科技的发展，我国在超声波测距系统上取得了新的成就。同传统的超声波测距系统不同，新时代背景下的高精度超声波测距系统解决了传统测距系统中存在的诸多不足，目前，我们已经结合新的技术，研制出了全新的、符合测距需求的测距系统。当下基于单片机下的高精度超声波测距系统已经得到了进一步的完善，在信号处理上已经取得了良好的效果。与此同时，单片机高精度超声波测距系统也已经在实际生活中得到了较为广泛的应用。再者，为了能够更好的完善单片机超声波测距系统，技术人员在研制过程中不断寻找更成熟化的测距技术，力求将单片机高精度超声波测量技术打造为成熟化的测距工具，并拓宽开测距技术所应用的范围，使得该技术能够更好地得到社会的认可。

参考文献

[1] 何力民.系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.

[2] 周航慈.单片机应用程序设计技术（修订版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002

[3] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京：电子工业出版社，2004.

[4] 楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.