【正文】 Ranging flowchart5 誤差分析超聲波測(cè)距由于其再使用中不受光照度、電磁場(chǎng)、色彩等因素的影響，加之其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，在機(jī)器人避障和定位、汽車(chē)倒車(chē)、水庫(kù)液位測(cè)量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。在原理上將，超聲波測(cè)距有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測(cè)距常用，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測(cè)物，經(jīng)反射后由超聲波傳感器接收反射脈沖，測(cè)量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間，在已知超聲波聲速的前提下，可計(jì)算被測(cè)物的距離H，即：H=vt/2。由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度；超聲波反射回波很難精確捕捉，致使超聲波在空氣中傳播的時(shí)間很難精確測(cè)量。這些因素使超聲波測(cè)距的精度和范圍受到影響。（1）溫度對(duì)超聲波波速的影響空氣中傳播的超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響。其中溫度對(duì)超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響，當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時(shí)，必須考慮溫度的影響。（2）超聲波回波聲強(qiáng)影響超聲波回波聲強(qiáng)與被測(cè)物得距離有由直接的關(guān)系，實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)。這種誤差不能從根本上消除，但是可以通過(guò)根據(jù)測(cè)量距離調(diào)整脈沖群的脈沖個(gè)數(shù)以及動(dòng)態(tài)調(diào)整比較電壓來(lái)減小這種誤差。（3）電路本身影響電路硬件和軟件本身存在一定的缺陷，因此會(huì)造成測(cè)量誤差，主要表現(xiàn)為：①啟動(dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)之間的偏差。這是源于單片機(jī)一次只能處理一件事，所以啟動(dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)實(shí)際上不能同時(shí)完成，是先后完成的，存在時(shí)差。但只要指令速度足夠快，其偏差可以忽略。②收到回波到被檢測(cè)出的滯后。這是源于檢測(cè)電路的靈敏度和判斷偏差，從收到實(shí)際回波到電路確認(rèn)并輸出相應(yīng)信號(hào)肯定存在滯后，這和回波信號(hào)強(qiáng)弱、檢測(cè)電路原理以及判斷電路的敏感性相關(guān)，也是超聲波測(cè)距的核心。③收到中斷到中斷響應(yīng)停止計(jì)時(shí)之間的滯后。這是源于單片機(jī)的中斷機(jī)制。收到中斷信號(hào)后，單片機(jī)不可能立刻響應(yīng)，至少要完成當(dāng)前的指令，有時(shí)還要等待其它中斷服務(wù)結(jié)束，所以這個(gè)滯后時(shí)間也不確定，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的變化。但這個(gè)因素可以通過(guò)提高單片機(jī)速度，使用高優(yōu)先級(jí)中斷。④計(jì)時(shí)器本身的誤差。這是源于計(jì)時(shí)器本身。由于目前多數(shù)使用晶體振蕩器，其穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度為2050 PPM 級(jí)別，對(duì)于音速而言，其帶來(lái)的誤差在mm級(jí)。為減小此項(xiàng)誤差，應(yīng)該提高計(jì)時(shí)的最小單位，即是選擇頻率高的晶振，從而降低量化誤差。同時(shí)選用質(zhì)量好的晶振。（4）超聲波波速入射角影響超聲波波束入射角也會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，由于系統(tǒng)是用來(lái)測(cè)量點(diǎn)和面的距離，則被測(cè)物表面，超聲波發(fā)射探頭和接收探頭三者之間存在一個(gè)幾何角度，即發(fā)射波入射到接收探頭的角度，如果這個(gè)角度不是0度，系統(tǒng)測(cè)量到的距離是被測(cè)物與接收探頭之間的距離而不是和測(cè)量參考面之間的距離，這就會(huì)造成測(cè)量誤差。（5）超聲波傳感器所加脈沖電壓對(duì)測(cè)量范圍和精度的影響制作超聲波傳感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲波測(cè)距常用壓電材料制作的傳感器。超聲波傳感器外加脈沖電壓的幅值會(huì)影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)壓電材料不受外力時(shí)，其應(yīng)變S與外加電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系為： S=dE 其中d為應(yīng)變電場(chǎng)常數(shù)。超聲波傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響其應(yīng)變量和超聲轉(zhuǎn)換的效率，進(jìn)而影響超聲波幅值。這些會(huì)直接影響超聲波的回波幅值。所以，為了提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測(cè)距精度和范圍，應(yīng)盡量提高超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值。結(jié)論本文主要講述了基于超聲波定位原理的停車(chē)輔助系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測(cè)距系統(tǒng)能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離，并以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離，在距離小于50cm時(shí)發(fā)出報(bào)警。超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來(lái)計(jì)算出傳播距離。超聲波測(cè)距儀硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分。單片機(jī)采用AT89S51，采用12高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)控制超聲波發(fā)射與接收模塊進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射與接收。顯示電路采用LED數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)字顯示。實(shí)際測(cè)試證明，本超聲波測(cè)距儀的性能不是特別穩(wěn)定。超聲波測(cè)距儀還可以做如下改進(jìn)：系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不高，被測(cè)物體表面移動(dòng)速度很小時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)跟蹤測(cè)量；移動(dòng)速度過(guò)大，波動(dòng)較大時(shí)，誤差變大?？梢匝芯扛鼮楹侠淼牟▽?dǎo)管和輔助測(cè)量手段。提高超聲波發(fā)射探頭的固有頻率。如果超聲波的固有頻率為40kHz，并假設(shè)接收信號(hào)觸發(fā)閥值建立時(shí)間滯后兩個(gè)周期，如果將超聲波的固有頻率提高至200kHz,則測(cè)試誤差將縮小5倍。增加抗干擾措施。由于超聲波測(cè)距儀測(cè)量的距離比較小，故采用TCT4016T/R超聲波傳感器作為發(fā)射和接收裝置，雖然也存在一定得自身干擾，但是比發(fā)射與接收采用一只壓電陶瓷超聲波傳感器自身干擾要小些。另外加上環(huán)境溫度、氣流等的影響，使超聲波測(cè)距系統(tǒng)受到干擾尤為嚴(yán)重。系統(tǒng)抗干擾措施必須從硬件和軟件兩個(gè)方面著手。為了抑制外部干擾，接收裝置可以采用過(guò)零檢測(cè)裝置，保證接收到得超聲波為物體反射回來(lái)的超聲波，從而有效地抑制超聲波發(fā)射電路的輻射干擾。但要注意接收電路中的諧振回路帶寬不能太窄，以免降低了電路的穩(wěn)定性。電路元件要選用低噪聲器件，采取合理的電路布局，良好的印刷板走線(xiàn)，并注意進(jìn)行屏蔽。 軟件方面采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，利用算法平均值濾波和相關(guān)濾波以抑制帶寬的隨機(jī)噪聲，以及在測(cè)量時(shí)間內(nèi)近似呈現(xiàn)周期性的干擾并進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)這些處理，可以有效的減少干擾。參考文獻(xiàn)[1] [J].制作天地，2010,(5):3142[2] 樓然苗，李光飛.《單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007[3] 楊國(guó)田 白 焰 董 玲 51單片機(jī)實(shí)用C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M] 中國(guó)電力出版社 2009[4] [N].忻州師范學(xué)院校報(bào)，[5] 張琛，[J].科技傳播，2010,(13):217222[6] 趙廣濤，[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006,(1):129131[7] [J].自動(dòng)化系統(tǒng)與用,2010,(6):100102[8] 楊億希，肖博，[N].凱里學(xué)院學(xué)報(bào),[9] 張波，[J].機(jī)床與液壓,2010,(18):5658[10] 王紅云，姚志敏，王竹林，[J].,（11）:4749[11] 李瀚蓀.《電路分析基礎(chǔ)》[M].北京：高等教育出版社，2006[12] 楊志忠.《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》[M].北京：高等教育出版社，2004[13] 華成英.《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》[M].北京：高等教育出版社，2006[14] 鄭郁正.《單片機(jī)原理及應(yīng)用》[M].成都：四川大學(xué)出版社，2008[15] 譚浩強(qiáng).《C程序設(shè)計(jì)》[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005[16] 王俊峰，孟令啟.《現(xiàn)代傳感器應(yīng)用技術(shù)》[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009[17] [D].蘇州：蘇州大學(xué)，2007[18] 恒清，[N].通化師范學(xué)院校報(bào)，[19] 蘇煒，龔壁建，[J].傳感器技術(shù)，2004，（6）：811致 謝首先，我要感謝我的指導(dǎo)老師李雅梅老師在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)我給予的指導(dǎo)和關(guān)心，從選題等各個(gè)環(huán)節(jié)都給予了我悉心的指導(dǎo)和幫助，這三周以來(lái)，李老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想給我以無(wú)微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向李老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。同時(shí)我還要感謝和我一起做課程設(shè)計(jì)的同學(xué)，在課程設(shè)計(jì)的短短幾周里，你們給我提出了許多寶貴的意見(jiàn)，給了我不少的幫助和支持。還有我的宿舍同學(xué)和身邊的朋友，正是在這樣一個(gè)團(tuán)結(jié)友愛(ài)，相互促進(jìn)的環(huán)境中，在和你們的相互幫助和啟發(fā)中，我才能夠順利的完成課程設(shè)計(jì)。附錄一 超聲波測(cè)距原理圖 23