摘  要： 提出了利用廉價(jià)反射式超聲測(cè)距模塊HC_SR04設(shè)計(jì)對(duì)射式超聲測(cè)距系統(tǒng)方案，實(shí)測(cè)了不同時(shí)序邏輯及采樣方式對(duì)系統(tǒng)性能的影響,，分析了不同單片機(jī)控制方案對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,。標(biāo)定后的系統(tǒng)最高精度可達(dá)到1 cm，性價(jià)比高,，能很好地滿足點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的定位,、測(cè)距以及部分需要特殊安全監(jiān)控場(chǎng)合的需要。

　　關(guān)鍵詞： 超聲測(cè)距；HC-SR04,；對(duì)射,；單片機(jī)

0 引言

　　與市場(chǎng)上價(jià)格較高的對(duì)射式超聲測(cè)距模塊[1-2]相比，反射式超聲測(cè)距傳感器價(jià)格低廉,，兼容性和接口標(biāo)準(zhǔn)化程度更好[3],。本文以反射式HC-SR04集成模塊為核心器件，提出了一種對(duì)射式超聲測(cè)距系統(tǒng)（The Opposite-type Ultrasonic Ranging System Based on the HC-SR04,，OURS）,。該系統(tǒng)采用8個(gè)40 kHz的超聲波作為聲源，具有抗干擾性強(qiáng),、聲源品質(zhì)高和性價(jià)比高等特點(diǎn)[4],。受限于單個(gè)HC-SR04模塊的最高精度只有3 mm，整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)距精度只能達(dá)到1 cm,，但對(duì)大型目標(biāo)跟蹤定位等定距精度要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合[1,，5]，OURS已能很好滿足要求,。本文系統(tǒng)已成功應(yīng)用于大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽,，取得了良好的效果。

1 系統(tǒng)工作原理

　　本文提出的對(duì)射式超聲測(cè)距方案以HC-SR04集成模塊為核心器件,，并采用渡越時(shí)間法[6]構(gòu)建,。

　　1.1 HC-SR04集成模塊

　　HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2 cm~400 cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可高達(dá)3 mm[7],；模塊包括超聲波發(fā)射器,、接收器與控制電路。圖1給出了HCSR04集成模塊的工作原理框圖,，圖2進(jìn)一步給出了HCSR04集成模塊工作的基本時(shí)序圖,。HC-SR04的超聲波測(cè)距公式為：

　　1.2 利用HC-SR04搭建OURS

　　1.2.1 搭建思路

　　（1）通過(guò)紅外對(duì)射開(kāi)關(guān)單元,，實(shí)現(xiàn)發(fā)射探頭和接收探頭的同步,。

　　（2）將發(fā)射接收探頭原本應(yīng)該發(fā)射出來(lái)的信號(hào)物理地清除（屏蔽）,。使用大約1 mm厚的熱熔膠就可以很好地屏蔽發(fā)射聲波,。

　　（3）接收探頭“受到欺騙”,，實(shí)際接收的是發(fā)射探頭發(fā)射出的信號(hào)（而不是自己發(fā)射的回波）,。接收探頭據(jù)此信號(hào)測(cè)出的距離為兩探頭間的距離。

　　1.2.2 用HC-SR04+ATEML89S52構(gòu)建OURS

　　考慮到價(jià)格低廉,、性能穩(wěn)定等因素,，本文首先選用ATEML89S52單片機(jī)配套HCSR04搭建OURS系統(tǒng),。但該單片機(jī)的電流驅(qū)動(dòng)不足，不宜采用一個(gè)引腳為兩個(gè)模塊同時(shí)提供邏輯電平,，故本文采用圖3（a）所示的搭建方案,，圖3（b）是其對(duì)應(yīng)的理想情況工作時(shí)序圖。其中,，接收方Trig引腳發(fā)送高電平是在一個(gè)較早的時(shí)間點(diǎn),，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)允許一定的任意性。

　　從圖3可看出,，系統(tǒng)工作時(shí)在發(fā)射方Trig的下降沿上給發(fā)射方紅外開(kāi)關(guān)施加了高電平,，使得單片機(jī)不必同時(shí)為兩個(gè)模塊提供高電平，減輕了其負(fù)擔(dān),。同時(shí),，本方案還近似認(rèn)為紅外光傳輸不需要時(shí)間，在超聲探頭Trig引腳下降沿到達(dá)的瞬間,，Echo引腳就開(kāi)始提供計(jì)時(shí)高電平信號(hào),。

　　1.2.3 用HC-SR04+ FREESCALE HCS08 AW60構(gòu)建OURS

　　相比于ATEML89S52單片機(jī)，F(xiàn)REESCALE（HCS08 AW60）單片機(jī)屬于中檔產(chǎn)品,，價(jià)格稍貴,，但運(yùn)行速度快、電流驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),，可同時(shí)用一個(gè)引腳給多個(gè)器件提供電平,，允許引入一路不需要主MCU處理的紅外信號(hào)，從而簡(jiǎn)化了電路的搭建和處理,。圖4給出了基于FREESCALE單片機(jī)搭建的OURS系統(tǒng)原理框圖和工作時(shí)序圖,。

1.3 距離監(jiān)測(cè)與處理

　　1.3.1 ATEML89S52處理邏輯

　　接收端ATEML89S52單片機(jī)的外置晶振頻率為12 MHz，計(jì)數(shù)器工作頻率設(shè)定為1 MHz（計(jì)數(shù)間隔1 s）,，進(jìn)行兩探頭對(duì)向測(cè)距的處理邏輯：

　　while（1）{

　　while（紅外開(kāi)關(guān)低電平）

　　刷新時(shí)間為0,；

　　while（Echo引腳為高電平）

　　Do nothing；

　　讀取時(shí)間,；

　　計(jì)算距離；

　　顯示距離,；

　　}

　　1.3.2 FREESCALE處理邏輯

　　接收端FREESCALE單片機(jī)使用8 MHz的內(nèi)部RC振蕩器,，計(jì)數(shù)器工作頻率設(shè)定為4 MHz（計(jì)數(shù)間隔0.25 s），進(jìn)行兩探頭對(duì)向測(cè)距的處理邏輯：

　　while（1）{

　　while（Echo引腳為低電平）Do thing,；

　　while（Echo引腳為高電平）刷新時(shí)間為當(dāng)前值,；

　　讀取最后一次刷新的時(shí)間；

　　計(jì)算距離,；

　　顯示距離,；

　　}

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

　　2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為驗(yàn)證OURS測(cè)距效果,，本文針對(duì)5 cm、10 cm,、…,、100 cm共20個(gè)間距進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。表1給出了兩種方案對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,，包括每個(gè)距離三次測(cè)量的單片機(jī)計(jì)數(shù)器平均計(jì)數(shù)值,、視測(cè)距和標(biāo)定后測(cè)量距離。OURS系統(tǒng)的視測(cè)距結(jié)果擬合曲線如圖5所示,。

　　由單片機(jī)計(jì)數(shù)器值乘以計(jì)數(shù)間隔,，得到高電平持續(xù)時(shí)間，該時(shí)間值乘以聲速可得系統(tǒng)的視測(cè)距,。由表1及圖5可看出,，無(wú)論是采用ATEML89S52還是采用FREESCALE單片機(jī)，其視測(cè)距與實(shí)際距離都存在相對(duì)固定系統(tǒng)偏差,。采用Origin9.0工具的線性擬合功能進(jìn)行視測(cè)距系統(tǒng)誤差擬合,，擬合輸出結(jié)果如表2所示。

　　表1的標(biāo)定后測(cè)距,，分別給出了根據(jù)式（2）,、式（3）標(biāo)定后的測(cè)距值。在厘米精度范圍,，目標(biāo)系統(tǒng)的測(cè)距效果及線性度相當(dāng)好,，存在的誤差主要是系統(tǒng)誤差。

　　由擬合結(jié)果,，可分別獲得兩種單片機(jī)方案的視測(cè)距標(biāo)定公式：

　　FREESCALE標(biāo)定測(cè)距=1.280 3+1.040 03×視測(cè)距（2）

　　ATEML89S52標(biāo)定測(cè)距=-16.259 4+1.050 21×視測(cè)距（3）

　　2.2 結(jié)果分析

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，本文系統(tǒng)測(cè)距存在系統(tǒng)誤差。造成系統(tǒng)誤差原因包括元器件的延時(shí),、單片機(jī)運(yùn)行速度,、超聲集成模塊近距離檢測(cè)存在死區(qū)以及環(huán)境干擾等因素。

　?。?）52單片機(jī)測(cè)距系統(tǒng)誤差來(lái)源分析

　　系統(tǒng)誤差的主要來(lái)源是HC-SR04超聲探頭Trig引腳與Echo引腳時(shí)序設(shè)計(jì)上存在固有時(shí)延,。在Trig引腳低電平下降沿之后Echo引腳并非立即產(chǎn)生高電平，而是有一定時(shí)延,。圖6是從相關(guān)引腳電平監(jiān)視示波器上截取的一幅圖,。其中，虛線是Trig引腳電平變化波形圖,，實(shí)線是Echo引腳的電平變化波形圖,。按圖6波形估算，Trig引腳下降沿與Echo引腳上升沿的時(shí)間差約為500 ?滋s,，這會(huì)導(dǎo)致視測(cè)距增加十幾厘米,。

　　系統(tǒng)誤差的次要來(lái)源是紅外開(kāi)關(guān)的時(shí)延,。從圖3（b）可以看出，接收方紅外開(kāi)關(guān)動(dòng)作滯后,，會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)開(kāi)始計(jì)時(shí)的時(shí)刻滯后,，但對(duì)Echo引腳的下降沿到達(dá)時(shí)刻無(wú)影響，這會(huì)造成視距離的減小,。對(duì)于標(biāo)稱響應(yīng)時(shí)間小于0.03 ms的高速光電開(kāi)關(guān)而言[8],，這項(xiàng)延時(shí)會(huì)導(dǎo)致視測(cè)距縮短約1 cm。

　?。?）FREESCALE單片機(jī)測(cè)距系統(tǒng)誤差來(lái)源分析

　　誤差的主要來(lái)源只有紅外開(kāi)關(guān)的延時(shí),。與52單片機(jī)類似，對(duì)于標(biāo)稱響應(yīng)時(shí)間小于0.03 ms的高速光電開(kāi)關(guān)而言,，其延時(shí)會(huì)導(dǎo)致視測(cè)距縮短約1 cm,。

　　（3）OURS系統(tǒng)測(cè)量隨機(jī)誤差分析

　　考慮到OURS設(shè)計(jì)一般采用中低端單片機(jī),，可用的外中斷數(shù)少且還要兼顧其他任務(wù),，系統(tǒng)采樣使用輪詢工作模式，最小采樣時(shí)間間隔與算法執(zhí)行時(shí)間有關(guān),。由于Echo引腳電平上升沿和下降沿的到來(lái)時(shí)間通常是隨機(jī)地落在兩個(gè)采樣間隔之間,，一次過(guò)程最壞情況可能會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)采樣時(shí)間間隔的計(jì)時(shí)時(shí)間差。52單片機(jī)速度慢些,，這項(xiàng)隨機(jī)誤差也會(huì)稍大些,，可能會(huì)帶來(lái)幾毫米的隨機(jī)誤差；而FREESCALE單片機(jī)的這項(xiàng)隨機(jī)誤差通常小于1 mm,。

　　此外,，由于不同溫、濕天氣會(huì)對(duì)聲波傳播速度造成一定影響,，也可能會(huì)帶來(lái)一定的隨機(jī)誤差[9],。

　　（4）超聲模塊測(cè)距存在近距離盲區(qū)

　　FREESCALE單片機(jī)進(jìn)行低于10 cm測(cè)距時(shí),，誤差明顯較大,，這與單純反射模塊在近距離測(cè)距存在盲區(qū)有關(guān)。在近距離測(cè)距時(shí),，已經(jīng)不能忽略探頭上兩話筒之間的距離,；此外，在近距離對(duì)射條件下,，探頭的體積同樣不可簡(jiǎn)單忽略[10-11]。

3 結(jié)論

　　利用價(jià)格低廉的HCSR04模塊設(shè)計(jì)對(duì)射式測(cè)距系統(tǒng),，性價(jià)比高,、可靠性好,，可用于聲源定位、目標(biāo)跟蹤等場(chǎng)合,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，該方案測(cè)距誤差主要是系統(tǒng)誤差，可通過(guò)標(biāo)定消除,，系統(tǒng)測(cè)距誤差可控制在±1 cm以下,。

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