用非接触法测量物体到接收器间的距离

本设计研究的问题是用非接触法测量物体到接收器间的距离，通过比较目前的多种测距方式发现：红外测距成本低，但精度不高，传播距离远，指向性差；激光测距精度高，成本高，对环境要求也很高；而超声波测距具有指向性强，传播较远，精度较高以及便宜安全等优点，可以应用于灾害救援、汽车倒车、闭路电视安装、建筑施工以及一些工业现场的位置监控,也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。因此，设计一种基于凌阳SPCE061A单片机的超声波测距仪。

1 系统方案

设计中采用超声波测距模组完成距离的测量，通过一组排线与单片机相连，将超声波返回来的数据信号传递给单片机，单片机的计算处理后实现语音报数，即通过喇叭读出数据结果，同时通过液晶屏显示选取的测量数据及展伸不确定度。主程序流程如图1所示。

2 理论依据

声波在其传输介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射，反射波称为回声。声波在介质中的传输速度是已知的，只要测出声波从声源到达目标然后返回声源的时间，就可以测出声源到目标的距离，完成非接触测距。本实验取室温下声波在空气中的传播速度是335.5 m/s，测量得到的声波从声源到达目标然后返回声源的时间是t秒，则距离d可以由下列公式计算：

d=335 500 (mm/s)×t(s)

图1 主程序流程图

因为声波经过距离是声源与目标之间距离的两倍，声源与目标之间的距离应该是d/2。实验中十次测量，去除前面一次和后面四次的值，剩下5次值取平均数，得到最终的测量值。基本流程如图2所示。

3 系统硬件设计

系统硬件主要由单片机系统及液晶显示模块、超声波发射模块和超声波检测接收模块等部分组成，如图3所示。采用单片机来实现对超声波发射处理模块的控制和对超声波接收处理模块回波数的处理计数。单片机中计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。

图2 测距操作函数基本流程

3.1 超声波发射处理模块

测距仪中由单片机产生40 kHz的方波，并通过模组接口(J4)送到模组的CD4049，而后面的CD4049则对40 kHz频率信号进行调理，以使超声波传感器产生谐振，根据压电晶体谐振的工作原理,当外加脉冲信号频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动产生超声波,这时它就是一个超声波发生器。如图4所示。

图3 系统硬件框图

3.2 超声波接收处理模块

当共振板接收到超声波时,将压迫压电振荡器作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收转换器。超声波接收处理部分电路前级采用NE5532构成10 000倍放大器，对接收信号进行放大；后级采用LM311比较器对接收信号进行调整，比较电压为LM311的3管脚的输入，可由J1跳线选择不同的比较电压以选择不同的测距模式。如图5所示。

4 系统软件实现

4.1 软件控制脉冲发射

由单片机控制模组发生40 kHz的脉冲信号，每次测量发射的脉冲数至少要12个完整的40 kHz脉冲。同时发射信号前打开计数器，进行计时；由于压电式的电声传感器存在余波干扰，而有部份声波会沿电路板直接传到接收端，经接收电路的放大后，系统就有可能把它误认为是反射回来的回波信号，所以需要等计时到达一定值后再开启检测回波信号，以避免余波信号的干扰。

图4 超声波发射模块

图5 超声波接收模块

4.2 检测回波信号

回波信号送到单片机的为一序列方波脉冲，单片机接受到回波脉冲后，程序转到EXT1外部中断服务子程序中，马上读取计数器中的数值，此数据即为需要测量的时间差数据。

4.3 测距计数及误差处理

在单次测距函数当中，进入该函数进行测距，都会利用TimerB生成近似40 kHz的波形，通过IOB8口输出，而这样的波形输出仅会持续0.5 ms左右，然后将TimerB设置为计数器模式，用来计量超声波从发射到接收的时间间隔长度，并启动TimerB的计时；当TimerB计时达到一定值时再打开EXT1外部中断等待回波反射的接收，当EXT1外部中断检测到回波信号的脉冲时，会在中断服务程序当中读取TimerB的计数值，并通过全局变量通知单次测距函数已接收到回波信号，以及所读取的当次计数值。基本流程如图6所示。

图6 一次测距函数流程

采用多次测量取平均值减小随机误差：本实验按键测量一次，仪器内部测量10次，按照大小排序，在1.5 m以内舍去4个较小值及1个较大值，对于余下5个数据处理，求出展伸不确定度；超过1.5 m的舍去5个较小值及1个较大值，对于余下4个数据处理，求出展伸不确定。

5 系统装置

系统装置如表1所示。

表1 系统装置

6 系统测距结果

6.1 测距仪

测距仪如图7所示。测距仪设计精巧，使用简单，携带方便，造价低廉；测量中采用激光定位，测量准确，构思独特；对测量结果可同时实现语音播报和液晶屏显示，数据采集方便；误差处理智能，液晶屏上可直接显示测量数据及展伸不确定度。

6.2 测量数据

可测最远距离为3.5 m,可测最近距离为0.198 m,测量精度为1 mm。测量数据见表2。

表2 测量数据

图7 测距仪示意图

6.3 图形分析

仿真图形如图8所示。

图8 仿真图形

7 结 语

这里设计的系统以SPCE061A芯片为核心控制，力求硬件电路简单，充分发挥软件编程方便灵活的特点，并最大限度挖掘单片机的资源，来满足系统设计要求。在硬件电路制作完成并调试好后,便将程序编译好下载到单片机中运行。根据实际环境(如温度等情况)，通过软件程序修改声音的传播速度，以适应不同环境的测量距离的需要。系统调试完后对测量误差和重复一致性进行多次实验分析,不断优化系统使其测量精度不断提高。经多次试验验证,该测距仪在测量0.2～2 m的物距时的测量精度为1 mm。