一种基于单片机的超声波传感器的研究与设计

系统精度提高

在系统测试过程中发现对系统性能和测量精度影响较大的主要有测量盲区、回波时间的确定、控制器定时器偏差、温度对速度的影响等几方面。

4.1 测量盲区

造成测量盲区存在主要有两方面因素：超声波发射头在发射出一串方波信号后经过一段延时才打开外部中断入口，防止方波信号直接进入接收头作为回波引起中断，产生误测量，延时对应的距离即为盲区；另一方面，在测量较近距离时，回波信号会与发射余波重叠造成寻峰失败，同样产生测量盲区。

对于第一种测量盲区，经试验证明，在可承受范围内减小脉冲宽度、减少脉冲发射个数，从而间接减小了延时时间，扩大测量范围。但同时会由于脉冲个数的减少对测量上限造成影响。对第二种测量盲区，主要做法是在回波接收电路中加入余振吸收电路，改变接收放大倍数，适当延时，并利用部分未饱和余波等方式共同减小盲区[10]。

4.2 回波时间的确定

发射的方波信号由于强度所限，在经过传播和反射后，回波信号强度有所衰减，出现包络现象，但其频率与发射波相同，没有变化。单片机确定接收到回波的时刻实际是一个高低电平的变化时刻，与回波频率无关。而包络信号不是优质的电平信号，直接输入单片机会造成较大误差。解决方案是接收电路中加入一个电平比较器，其输出频率也为40 kHz，输出标准方波电平信号作为比对，在接收电路的放大器输入(接收到)高于0.4 V的电平信号时，通过比较器的输出电压变为标准的+5 V电平输入单片机，此时刻即为回波接收时刻[11]。

4.3 温度补偿

在常温常压下声速可以认为是定值，但液位监测的工作环境温度变化较大。声速与温度的关系为[12-13]：

v=311.5+0.607t (3)

温度变化范围为-20℃"+40℃，则声速会产生36 m/s的巨大变化，必须设置温度对声速的补偿。

离线条件下计算出不同温度下的声速值并放存储器存储，18B20测得现场温度传入单片机后，查找对应温度的声速并以此作为校正值进行距离的计算。空气中声速表达式可写为：





由此可见经过温度补偿后的精度达到厘米级，可以较好地达到测量要求。测量温度为11.2℃时的实验数据如表1。由表1可以看出测量上限为600 cm，下限为50 cm，有效测距范围内测量误差小于±2 cm。



通过大量实现数据表明，本系统测量误差小于±2 cm，满足设计要求，并且符合工业标准。基于超声波受粉尘、震动及电磁波等恶劣工业因素影响极小的特点，本系统还可广泛用于工业测距、汽车行驶、金属探伤等领域，具有较好的应用前景。