超声波测距仪的设计
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摘 要 本文通过单片机作为控制核心，整个电路再辅以电源电路、555电路、两级放大电路、电平比较电路、控制程序，设计出一个低成本、显示稳定、测量范围在0 m-3 m之间时，测量精度可以达到1 cm以内、能够满足很多特定场合或恶劣环境下距离测量的需要。
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）032-036-01
目前国外非接触式电子测距方式主要有毫米波雷达测距、激光雷达测距、CCD立体视觉测距、超声波测距。在毫米波雷达测距这种测距方式中，测量距离远，测距精度较高，不受大雨、大雾和沙尘爆等恶劣气候环境的影响，是一种比较好的测距手段，但是成本很高；激光雷达测距测量距离远，成本较低，测距精度较高，但受环境变化的影响大，对被测物体反射面的粗糙和倾斜度有较高的要求；超声波测距范围较小，精度高，不受大雨、大雾和沙尘爆等恶劣气候环境的影响，而且产品成本很低。
国内目前在非接触式电子测距仪方面，也有毫米波雷达测距、激光雷达测距、CCD立体视觉测距等测距方式，相对于国外的同类非接触式电子测距仪，我们的产品精度相对较低、价格也相对便宜。
1 超声波测距的原理及特点
超声波脉冲在空气中的传播速度是已知的，如果我们知到了它的传播时间也就知道了超声波的传播距离，即距离=速度×时间，这就是超声波测量距离的基本原理。所谓的超声波是针对平常我们所讲的“声波”来说的，“声波”的频率是指20 Hz至20 kHz范围内的机械波，高于20 kHz频率的机械振荡波我们称为“超声波”，超声在介质的传播过程中，主要有以下几个特点：
1）40 kHz时是一个比较理想的测距频率，可以兼顾“定向性”和“衰减”两个特性。
2）超声波传播速度主要受温度的影响，温度越高，传播速度越快。
3）超声波在不同的介质中传输时，会有反射、散射、折射、衍射等现象。
2 系统总体设计方案
整个电路以按键、超声波接收头、温度传感器作为输入系统；以数码显示管、超声波发射头作为输出系统；以单片机作为控制系统。在具体的电路设计中，我们采用555定时器构成多谐振荡器产生40 kHz的脉冲，经过不对称组合非门的推挽驱动，传送到发射头传感器进行发射；接收头接收到反射脉冲后，先经过比较放大，再经过整形传送到单片机进行计算和处理；处理后的数据通过数码显示管进行显示。
3 误差分析及处理
3.1 温度对测量结果的影响及处理
超声在空气中传播的时候是会衰减的，其衰减主要是受到距离的远近、空气中的成分、空气的温度等因素的原因。而温度在每一天都可能变化比较大，一天中的早晚温差也可以会比较大，声速与温度变化的规律为：
V=331.5+0.607t
在温度变化1℃时，超声波的速度就变化0.607 m/s。在温度20℃时，即传播速度为343.74 m/s；在温度为21℃时，传播速度为344.347 m/s。那么也可以计算出在测量1 m距离时，误差为1.75 mm。可见温度的变化对超声波测量仪的影响是很大的，因此在不同的温度进行测量时，要以不同的声速进行计算。
3.2 其他主要因素对测量的影响及处理
1）接收脉冲的变化。超声波进行测距时，发射头发射由8-10个脉冲组成的超声波，超声波经被测物体表面反射再被接收头所接收。在这个发射、接收过程中，发射脉冲是从第1个脉冲开始计时，但接收时由于衰减的原因，可以是从第4个脉冲才接收到。这样在实际计算时，就造成了一定的延时，这就要深圳市我们在软件处理的时候减去这段延时所引起的误差。
2）减少漫反射引起的误差。超声波接收头所接收的脉冲，可能并不是被测物体表面反射回来的，而是由被测物体旁边的物体表面反射回来的。针对这种误差，主要的方法就是在采用超声波测距时，注意测量仪器与被测物体之间的角度关系。
3）减少直达波的影响。在超声波的测距过程中，发射传感器发射的40 kHz的脉冲，一部分定向被测物体传播并反射到接收头，而另一部分脉冲并没有经过被测物体的反射就直接传播到附近的接收头，并立即引起“中断”，针对这种现象引起的误差，我们在计算超声波测距时间时，必须延时一段时间后再开启单片机中的“计时器（定时器）”，这样可以减少这种现象引起的误差。
4 特色
1）用单片机作为控制核心器件，通过软件设计来进行大部分控制，这样做使得控制灵活，在减少误差、提高精度的同时，以可以大大降低硬件设计成本。
2）采用温度补偿，减少声波因温度，而引起的测距误差。超声波在传播过程中，温度每升高1℃时，1秒钟传播的速度加快60厘米左右。在软件设计过程中，对于不同的温度，我们采用不同的声速来进行计算，达到提高精度、减少误差的目的。
3）采用较高频率晶振。晶振频率越高，那么计时就越精确，在进行测量距离计算时，得到的数据也就越精确。
5 结束语
本人在设计和实验实践的过程中，也发现了超声波测距在目前存在的一些问题，如超声波测量的距离还不够远、精度难以提高到毫米级，如果要测量的距离比较远、精度要求又极高的情况，则对超声波测距仪整个电路的功率、发射器的发射功率以及接收器的灵敏度都提出了很高的要求。这些问题的解决一方面需要工艺、化学、材料科技的发展，另一方面需要科研者不懈的追求、努力和实践。
参考文献
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[4]田静.声学——科学、技术与艺术（中国科学院研究生院演讲录，第一辑）[M].北京：科学出版社，2002.
作者简介
谢元成（1980-），男，广州城建职业学院助教，研究方向：电子测量及仪器。