李义　倪时　王效波　张朱庆　张宝　朱玉奇

摘要：本文详细介绍了对已开发出的测距系统进行软硬件试验调试。试验表明该系统在100mm～5000mm范围内能够实现准确测距，本课题的研究具有一定的实用价值。

关键词：测距；调试；精确

1引言

本课题来源于“江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目”，最终研发出的测距系统采用超声波技术。超声波精确测距系统主要功能包括：

（1）超声波的发射、接收，并根据计时时间计算测量距离；

（2）检测空气温度、湿度用于距离计算的补偿；

（3）LED显示器显示距离、温度、湿度；

（4）键盘接收用户命令并处理；

（5）当系统运行不正常时，用电平式开关与上电复位电路复位。

本文所研制出的自动化传感装置，通过实验分析超声波测距系统的性能和效果。

2精确测距系统

超声波测距结构，如图2.1所示，由系统处理模块、驱动模块、接收模块、超声波传感器四大部分组成。

（1）系统处理模块

系统处理模块包括单片机最小系统、电源电路、温度补偿电路、湿度补偿电路、键盘接口电路（人机接口电路）、LED接口电路、LCD接口电路、串行通信接口电路。

单片机最小系统负责控制、运算等功能，是整个测距系统的大脑。电源电路是系统心脏，为其他模块提供稳定电源。温度和湿度补偿电路分别为超声波测距系统提供温度和湿度的补偿，从而获得精确的测量结果。键盘接口电路增加了人机接口的功能，负责控制系统与操作者之间的沟通，包括从操作者获取指令、数据以及将测试结果反馈给操作者等。LED接口电路和LCD接口电路能够实时显示测量数据。串行通信接口电路主要方便系统与其他控制设备之间的数据交换，便于系统的扩展。

（2）驱动模块。驱动模块，主要包括超声波发射电路，其负责将单片机输出的40KHZ信号放大输出，驱动超声波发射探头，将电信号转化为超声波信号。

（3）接收模块。接收模块，主要包括超声波接收电路，其负责处理超声波接收探头取得的回波，将超声波信号转化为电信号，反馈给CPU模块。系统使用SONY公司的CX20106A集成电路对接收探头接收到的信号进行放大、滤波。

（4）超声波传感器。超声波传感器是超声波测距系统的关键部件。本文超声波测距选用的是压电式收发分体超声波传感器T/R40-16，其特性：T-发射；R-接受；40-中心频率；16-外壳直径。

系统设计中，通过软件实现40K Hz方波的产生，利用单片机的定时/计数器和外部中断器检测渡越时间。具体实现过程可以分为以下几个步骤：（1）准备检测，用软件生成40KHZ方波；（2）发射方波串，然后开始计时；（3）判断是否有回波，如果无就等待，反之则停止计时；（4）读取计时结果，计算出渡越时间t，根据渡越时间与当前温度下的波速，一起計算目标物的距离。

3系统调试

开发出的测距系统采用软硬件相结合的调试方式，进行综合调试并进行测试试验，得出部分试验数据，并分析了测距误差产生的原因。为保证系统正常工作，不仅需要保证硬件的设计和焊接没有问题，还需要对硬件和软件进行调试。为了保证硬件电路与设计原理图一致，以及电路板焊接没有出现虚焊、漏焊等问题，必须对系统进行电气调试。系统电气调试工具包括VICTOR VC890D数字万用表、RIGOLDS5102CA示波器、12V*2A鑫威达HX008-1202直流电源等，系统的电气调试步骤如下：（1）检查电源系统工作，清洁稳定的电源是系统工作的前提。电源接口安装在系统的左侧，通过电源给系统提供12V的供电电源。（2）用数字万用表检测电路板各部分电路，使之无虚焊、漏焊等现象，保证电路导通。（3）测试LED显示等辅助功能运行良好。首先，将四位数码管显示均调整为“0”；然后，根据每位显示数值查表得到显示段码；最后，利用软件编程，分别给数码管赋值“0”至“9”，使LED对应显示相应数字。（4）测试超声波发射电路。调节超声波发射电路时，通过频率计测超声波发射端的频率来调节可调电感知，使其谐振频率精确在40K HZ。（5）测试超声波接收电路。根据接收信号调整接收电路的电容和电阻，当电阻为210KΩ、电容为47×103pF时，系统能够接收到较好的波形。当系统接收到回波后，产生低电平脉冲，使单片机的T0计数器停止计数，这样就测出了超声波往返所需要的时间，从而可以求出待测距离。用示波器观察到的发射波可以看出，发射超声波的同时，来一个负脉冲，以此作为开始计时时刻，等接收到回波信号时，再来一个负脉冲信号，从上图可以直观地看到两外负脉冲间的时间差，这就是测得的超声波往返所需要的时间。（6）进行测距试验，匹配补偿参数。

4系统试验与结果分析

选择墙面为被测物之后，为了增强测距仪的测距准确信，又再次用行道树作为试验。测距仪平放在平整的小凳上，针对1株行道树重复进行测距试验。在环境温度32℃时，测距仪平放在小凳上，在有温度湿度补偿的情况下，针对1株行道树重复进行3次距离测试。利用精度为1mm的钢制米尺测量下表中实际距离，分别在距离靶标50mm、100mm、500mm、1000 m、2000mm、3000mm、4000 mm、5000 mm进行系统测试，得到测距结果：三次测量的平均测量值为27.67mm、48.33mm、99.00m、498.67mm、999.33mm、1997.00mm、4037.3 3mm、5047.33mm。试验结果分析：一是测量距离对测量精度影响较大。当测量距离小于100mm时，测量相对误差较大；当测量距离大于100mm时，测量相对误差在1.00%之内。二是当测量距离在100mm～5000mm时，测距仪重复测量结果相对稳定，重复测量结果之间差距不大，特别当测量距离在500mm～3000m时，重复测量结果更加稳定准确。因此，通过上述测试可知，通过温湿度补偿，在100mm～5000mm范围内测距的相对误差在1.00%以内，能满足测距系统的精度要求，特别在500mm～3000mm范围内测量精度更高。

本项目设计并实现了一种基于超声波技术的精确测距系统。通过查阅相关的国内外文献资料，充分利用现有的试验条件，在深入研究超声波测距理论的基础上，根据测距所要求的技术指标，提出了超声波测距系统的整体设计方案，试验表明，该系统在100mm～5000mm范围内能实现准确测距，并具有LED实时显示功能。endprint