Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ 一种改进的超声波测距方法研究 田文成，周西峰，郭前岗 （南京邮电大学自动化学院，江苏南京２１ｏｏ２３） 摘 要：针对第一个超声回波前沿难以捕捉，提出了增益可编程的回波信号检测方法，进行多次增益校正，使得比较器能捕 捉到首个回波前沿。针对测量超声波波速的补偿方法单一，提出了标准挡板，分别测量固定距离的传播时间和待测距离的传 播时间，通过两者之比得出待测距离。实验结果表明，所提出的改进方法能够实现恶劣环境下的高精度测距。 关键词：标准挡板；增益可编程；超声波测距 中图分类号：ＴＰ２１６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４－７７２０（２０１６）０２—００７０—０３ 引用格式：田文成，周西峰，郭前岗．一种改进的超声波测距方法研究ＥＪ］．微型机与应用，２０１６，３５（２）：７０—７２． Ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｉａｎ Ｗｅｎｃｈｅｎｇ，Ｚｈｏｕ Ｘｉｆｅｎｇ，Ｇｕｏ Ｑｉａｎ ｇａｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００２３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅ ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｆｏｒ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｃａｐｔｕｒｅ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｅｃｈｏ ｓｉｇｎａｌ ｆｒｏｎｔｉｅｒ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏ— ｐｏｓｅｄ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｇａｉｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｎａｍｅｌｙ，ｂｙ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅｖｅｒａｌ ｇａｉｎ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｅｃｈｏ ｓｉｇｎａ１ ｆｒｏｎｔｉｅｒ ｉｓ ｃａｐｔｕｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｉｔ ｉｓ ｓｉｎｇｌｅ ｆｏｒ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｓｔａｎｄａｒｄ ｂａｆｆｌｅ， ｍｅａｓｕｒｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｉｘｅｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｃａｎ ｂｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ａ ｔｗｏ ｔｉｍｅ ｒａｔｉ— ｏ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｒａｎｇｉｎｇ ｉｎ ｈａｒｓｈ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔａｎｄａｒｄ ｂａｆｆｌｅ；ｖａｒｉａｂｌｅ ｇａｉｎ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ０ 引言 波传播距离ｓ表示为ｓ一 １口￡由此推出Ｌ一 １ ｃ。ｓ（ａｒｃ ，随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检 测技术已广泛应用在多个领域 ］。超声波因其定向发射、 ｓｉｎ ）。当测量距离Ｌ远大于Ｈ时，则可近似为Ｌ— １ 。 指向性好、抗干扰能力较强、结构简单、安装和维护方便、 成本较低、易于实现等特点，再结合微电子技术实现的距离 ２ 系统设计 超声波测距系统主要包括发射端 主控模块、超声波发射模块、 测量系统，具有处理简单、速度快等优势 。 本文提出了一种基于标准挡板的增益可变超声回波信号 前沿检测方法，使超声波在空气中的传播速度精确计算，并 且使比较器捕捉到第一个超声回波信号前沿来提高行程时间 精度，从而提高测距精度。 超声波接收模块、液晶显示模块、电源供电模块、标准挡板， 总体方案如图２所示。 ２．１ 超声波发射模块 Ｈ … 接收端 １超声波测距原理 超声波是频率在２０ ｋＨｚ以上的声波，属于机械波 ］。 超声波测距方法中，渡越时间检测法精度较高，电路实现较 简单，故本文采用此方法 ］。 超声波换能器发射面浸人介质１，驱动电路驱动超声波 换能器向介质１发射超声波并开始计时，当遇到与介质１物 理特性差异明显的另一种介质（介质２）时，将产生较强的 ．．．．．． ．．．．．．．．．为１ｏ。，测量范围为２ｏ～１０ ０００ ｍｍ。其发射电路如图３所 示。单片机Ｐ１．１引脚通过软件编程产生每周期８个激励脉 ’－ｊ 回波，该回波传到换能器，驱动其产生谐振并产生电信号， 通过放大、滤波、比较后被测距电路捕获，停止计时。计算 超声波往返所用时间ｔ，测量待测点的声速 ，即待测距离 Ｌ［”。 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．’＿Ｊ 单片机 主控模块 ’＿Ｊ 超声波测距原理如图１所示。根据数学几何关系，测量 ｒ ｒ 距离Ｌ表示为Ｌ—Ｓｃｏｓａ，夹角口表示为口一ａｒｃｓｉｎ ｒｌ，超声 Ｌ】 ｌ 图２超声波测距总体方案图 ７Ｏ 《微型机与应用》２０１６年第３５卷第２期 蕊 豳蠲凌塑 皇 呈 １６、３２、６４、１２８，该芯片与单片机接口只需要连接片选信 冲信号，控制三极管Ｑ１的通断，由电源直接驱动变压器的 初级线圈。在变压器副边线圈上，并联两个反向二极管Ｄ１ 号、时钟信号和数据信号，通信方式为ＳＰＩ总线方式。 回波信号含大量噪声信号，一部分是超声波换能器接收到 和Ｄ２，防止超声回波信号经线圈与地形成回路，超声回波 信号幅值为ｍＶ级，二极管导通电压为０．７ Ｖ，因此回波信 号只能进入接收模块。 Ｖｒｒ 空气中的杂波信号，主要是空气中低频噪声；一部分是电路的 高频噪声，如电源、晶体管、运放等，因此设计带通滤波器。 ２．２．３电压比较电路 滤波放大电路输出信号通过第一级ＬＭＶ３８５进行电压 跟随，由第二级ＬＭＶ３８５进行电压比较，当输入电位高于 超声 设定电位值时，输出低电平，该电平作为单片机外部触发信 号产生中断，结束计时。电压比较电路如图６所示。 图３超声波发射电路 ２．２超声波接收模块 ２．２．１预处理电路 ５１０ ｎ １Ｎ４１４８ １Ｎ４１４８ 图６超声波电压比较电路 预处理电路对回波信号的放大电路如图４所示。电容 Ｃ３和Ｃ４对信号进行简单滤波处理；二极管Ｄ３和Ｄ４将发 ３误差分析 根据超声波测距公式可知，主要误差来自两个方面：声 射信号点位钳制在０．７ Ｖ，ｍＶ级的回波信号不受影响进入 后续电路；电阻Ｒ６用于调偏流，防止饱和失真；三极管Ｑ２ 速测量误差、超声波信号传播时间误差。基于此，从以下两 个方面对误差进行研究分析，并提出改进方法。 ３．１声速测量误差 对信号功率放大后进入滤波放大电路。 Ｖｃｃ 参考文献［８］提出了温度、湿度双补偿方法，笔者认 为实际空气并不是完全干燥的，对空气平均摩尔质量和比热 比值进行修正，上述方法虽然考虑了温度和湿度对声速的影 响，但实际环境条件下，声速还受风速、压强等因素影响， 因此测量结果仍存在误差。基于环境的不确定性，本文提出 利用挡板实时测量当前声速，将影响因素都考虑在内，从而 提高测量精度，且适应复杂环境。其挡板安装如图７所示。 原理是预先设定挡板到超声波换能器的固定距离，如设 定１ ｒｎ，则换能器１、２同时发射超声波，换能器１发射的超 声波遇挡板反射，换能器２发射的超声波遇水面反射，分别 对挡板发射时间和水面反射时间进行测量，两个时间比值即 图４超声波预处理电路 换能器到达水面的距离。 ３．２超声信号传播时间误差 由于超声波换能器的机械惯性，其发射声波起振逐步由 ２．２．２滤波放大电路 滤波放大电路如图５所示。放大电路采用二级放大器， 其中，第一级放大电路必须有足够大的输入阻抗，因此采用 小到大，首波信号的幅值很小，且随距离变化而变化；另在 反射面反射过程中，信号会损失一部分，因此用常规方法很 高输入阻抗的运算 放大器ＬＭ２２４； Ｒ９用于调节直流 偏置电压；Ｒ１２并 联的可变电阻Ｒ１０ 用于调试。第二级 放大电路采用可编 程增益放大器 ＰＧＡ１１２，可变增 益为１、２、４、８、 图５超声波滤波放大电路 《微型机与应用》２０１６年第３５卷第２期 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｍ ７１ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ 换能器１ 换能器２ 表１超声波液位检测数据表 实际距离———－＿＝ — ： １————— ２ １９８．７ ３—— 均值 ２００．３ ４０３．３ 误差／ Ｏ．３Ｏ ０．３５ ０．２２ Ｏ．２１ ０．２６ Ｏ．２３ ０．１９ ｍ／ｍ２００ ４００ １９９．２ ３９９．２ １９９．４ ４０１．４ ６０１．３ ７９８．３ ９９７．４ １ ５０３．５ １ ９９６．２ ４０１．７ ５９９．９ ７９８．４ ９９８．３ １ ５０４．７ １ ９９７．１ ７ 板 刀 液面 ６００ ８００ １ ０００ ｉ ５００ ２ ０００ ６Ｏ１．６ ７９７．３ ９９７．８ １ ５０３．９ １ ９９３．４ ６０２．３ ７９９．１ ９９６．２ １ ５０１．８ １ ９９６．５ 图７挡板安装图 路和软件程序，通过实验证实了该系统测距精度的改进。 在测量超声波传输时间过程中，超声波换能器的谐振频 率、比较器的阈值、可编程增益放大器的增益级数以及每级 之间的倍数是测量分辨率的３个重要因素。所述研究方法还 有待于改进，例如标准测距的校正，即如何应对测量超声波 难捕捉到回波前沿。本文提出通过多次增益变化判断第一回 波前沿返回时间，思路如下： （１）对信号设置１倍增益，检测信号传播时间ｔ ；对信 号设置２倍增益，检测信号传播时间ｔ 。以此类推，每次增 益为前一次的２倍，分别检测信号传播时间ｔ。、ｔ 、ｔ 、ｔ 、 ｔ７、ｔａ； 换能器与挡板之间的距离不等于实际距离１ ｍ的情况。 参考文献 Ｉ－１］刘赞，王波，刘智超．一种基于超声测距技术的超声液位仪 设计［Ｊ］．传感器与微系统，２０１４，３３（９）：９１—９３． （２）求相邻增益之间时间差值，即ｔ 一ｔ 一ｔ ，…，ｔ 一ｔ７——ｔｓ： （３）判断差值与换能器谐振周期的大小关系，从而确定 ［２］李恒，徐小力，左云波．移动机器人超声波测距避障系统设 计ＥＪ］．现代电子技术，２０１４，３７（３）：１５７—１５９，１６２． 第一回波前沿位置，即从ｔ 。开始若有２个连续差值小于谐振 频率的一半，则这３个相邻传播时间都是检测到１个周期 内，因此可以判断检测到第一回波前沿。判断依据是根据回 １－３］冯诺．超声手册ＥＭ］．南京：南京大学出版社，１９９９． ［４］吴付祥，赵政，黄金星，等．非接触式的超声波流量检测技 术研究［Ｊ］．电子技术应用，２０１４，４０（６）：８２—８４，８８． Ｅ５］张攀峰，王玉萍，，等．带有温度补偿的超声波测距仪 的设计［Ｊ］．计算机测量与控制，２０１２，２０（６），１７１７— １７１９．１７３２． 波波形，除第一回波周期最大幅值远大于噪声幅值外，后续 回波周期最大幅值不会远大于前一个周期。此依据是经验总 结，理论研究尚未成熟。 ４实验结果分析 为验证系统的测量精度，进行实验研究。实验时，环境 ［６］彭映成，钱海，曹龙，等．一种高精度超声测距系统设计［Ｊ］． 电子测量技术，２０１３，３６（１Ｏ）：１６－１８，３０． Ｅ７］李戈，孟祥杰，王晓华，等．国内超声波测距研究应用现状［Ｊ］． 测绘科学，２０１１，３６（４）：６０－６２． 温度为２５℃，超声波换能器频率为４０ ｋＨｚ，在２ ０００ ｍｍ范 围内，水位检测数据与标准液位变化值作对比。 由于测量误差具有随机性，在程序设计时可让系统进行 ［８］林伟，梁家宁，李才安．便携式多功能超声波测距仪的设计 与实现口］．电子测量技术，２００８，３１（１）：９１—９３． （收稿日期：２０１５－０９－２８） ３次测量，并对３次测量结果求平均值来减小系统随机误 差。测量数据如表１所示。 通过实验数据可知，超声波液位测距结果个别数据超出 了４ ｍｍ检测精度，但通过３次采集求平均值可以减小测量 误差。最终，检测均值与标准液位值之间的差均小于４ ｍｍ， 实现了高精度测距，满足了工农业生产中的测量需求。 作者简介： 田文成（１９９１一），女，硕士研究生，主要研究方向：计 算机监测控制技术。 周西峰（１９６０一），男，学士，教授，主要研究方向：计 算机监测控制技术、智能与网络化控制系统。 郭前岗（１９６０一），男，博士，教授，主要研究方向：自 ５ 结论 在全面分析超声波测距引起误差原因的基础上，提出了 通过增加标准挡板提高超声波信号速度的测量精度，通过多 次增益校正确定第一超声回波前沿，并设计了相应的硬件电 （上接第６５页） 动控制系统及先进功率变换系统理论与技术。 ［８］ＲＡＯ Ｔ Ｒ，ＭＵＲＵＧＥＳＡＮ Ｄ，ＴＩＷＡＲＩ Ｎ，ｅｔ ａ１．６０ ＧＨｚ ｒａｄｉｏ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｓｔｕｄｉｅｓ ｉｎ ａｎ ｉｎｄｏｏｒ ｏｆｆｉｃｅ ｅｎｖｉｒｏｎ— 作者简介： ｍｅｎｔ ｆｃ］．２０１２ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｍｕ— ｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０１２：１８１－１８５． 戚星宇（１９９２一），通信作者，男，硕士研究生，主要研 究方向：射线追踪算法、信道建模等。Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｉｘｉｎｇｙｕ９２７８＠ １６３．ｃｏｒｎ。 刘芫健（１９７３一），男，博士，教授，博士生导师，主要研 （收稿日期：２０１５—０８～２６） 究方向：计算电磁学、射线追踪算法、电磁理论的数值计算等。 李双德（１９９０一），男，硕士研究生，主要研究方向：信 道建模、超宽带信道等。 ７２ 《微型机与应用》２０１６年第３５卷第２期
