《超声波测距模块确定定点坐标的应用》
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[摘 要]鉴于超声波具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点,利用超声波测距模块HC-SR04设计一个确定投影仪屏幕任意一点的定位装置.由Arduino板产生40kHz 的方波,直接驱动发射器芯片,经超声波发射器发射出长约6mm,频率为40kHz的超声波信号,此信号能够被物体反射回来由接收端接收,接收端实质上是一种压电效应的换能器.测距器可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测,实测数据显示,测量精度较高,性能稳定[1].
[关键词]HC-SR04；测距公式；算法
中图分类号：J51-4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0168-02
0 引言
超声波是指振动频率大于20KHz的声波,它穿透性好、方向性好促进了它在测距方面的广泛应用.由于超声波在空气中的衰减较大,超声波定位只适用于较小的范围.超声波在空气中的传播距离一般只有几十米.短距离的超声波测距系统已经在实际中应用,测距精度为厘米级.超声波定位系统可用于室内场所中的移动物体定位,也被广泛的应用于机器人技术中[2].
由于目前市场上的超声波收、发器技术成熟且低廉,因此应用较为广泛.超声波测距大都采用反射式测距法,即发射超声波并接收由被测物产生回波,根据回波与发射波的时间差计算出待测距离.但是本技术则采用单向测距法,利用两个接收端,一个发射端,利用软件算法确定屏幕上某点的坐标.
1 HC-SR04
HC-SR04模块引脚如图1所示.
如图1所示,VCC供5V电源,GND为地线,TRIG触发控制信号输入,ECHO触发控制回响信号输出等四个接口端.
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能,测距精度可达到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路[3].
2 测距公式推导：
模块采用IO口TRIG触发测距,给它至少10us的高电平信号,模块自动发送8个40kHZ的方波,并自动检测是否有信号返回,一旦检测到有回响信号,回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比.由此通过发射信号到收到的回响信号的时间间隔可以计算出距离.测量周期应为60ms以上,以防止发射信号对回响信号产生影响.模块中ECHO是信号接收引脚,有信号返回时,通过IO口ECHO输出一个高电平,高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间.
在测距精度要求很高的情况下,需要考虑到在不同温度下,超声波的声速不同,要通过温度补偿的方式校正测距值.
我们知道,声波在不同煤质中传播速度是不一样的,在室温下,气体中声速受温度的影响最大.其变化关系为：
由表中可知当温度低于14摄氏度或者高于26摄氏度时,上面公式误差较大.所以应使实验尽量在室温下进行,以尽量减小误差.
计算公式推导：
如图2所示,设幕布底边两端为B、C两点,分别放置超声波测距模块的两个接收端,A点放置超声波测距模块的发射端.设所测距离为d1、d2,幕布底边长为a,从发射信号到收到的回响信号经过的脉冲数为n,时钟周期为T,频率为f,常温下声波速度为v,则推导公式为：
3 软件实现
利用Arduino软件编写测距代码并导入Arduino板,实现测距.超声波测距系统的软件由主程序、超声波发射及接收中断子程序构成.超声波测距主程序先对系统进行初始化,然后调用模块HC-SR04发送超声波脉冲,延时两秒后打开外部中断0接收返回的超声波信号[5].主程序检测到并接受成功信号后,将计数器T0中的数（即超声波从发射到返回的时间t）,按照公式计算出测距器与被测物体间的距离.其中在室温下我们常将声速视为常量,取344m/s.
测距时,为保证两个发射端同时发射信号,将两个发射端从HC-SR04模块上拆卸下来,然后并联接在一起.然后把两个接收端分别置于投影屏幕两端,当按键按下时,TRIG发射信号,两个ECHO接收信号,计算距离,根据余弦定理公式计算确定屏幕上点的坐标.
4 结论
测距结果如下表所示：
分析表中数据可得,当测量投影屏幕的四个角时误差较大,测量中间部分时误差较小.分析原因,很可能是测量时超声模块的发射端和接收端没有对准以及单个模块的功率不够导致的.因为超声波的方向性很好,测量时应该尽量使两端尽量对准,但是实际操作时,因为两个发射端并联封装,存在一定角度,再加上人工操作的局限性,使得结果出现不可避免的误差.后来通过加长两发射端的引线,然后再连接在一起,使得每个发射端有一个活动角度,极大地改善了这一问题.因为两个发射端一起工作,导致单个模块分到的电压不足,影响了模块工作的灵敏度.之后,我们利用振荡电路提高了发射端的工作电压,供给每个模块足够的功率,提高了测定坐标的准确度.
参考文献：
[1]苏琳.基于 HC- SR04 的超声波测距器的设计[J].机械与电子,2012.
[2]佚名.超声波定位技术研究的背景现状及应用[J].
[3]超声波测距模块_HC-SR04_用户手册[R].
[4]李杜.基于HC-SR04的超聲波测距装置算法研究[J].科技视界,2012,（28）.
[5]刘楚红,董镇,钱宇捷.基于Arduino的倒车雷达系统设计[J].现代电子技术,2014：156-158+161.
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超声波测距引用文献:
[1] 超声波测距论文范文 超声波测距类论文参考文献范文2万字
[2] 超声波测距论文范文 超声波测距方面论文范文数据库2万字
[3] 测距传感器和超声波测距论文写作技巧范文 测距传感器和超声波测距类有关学术论文怎么写2万字
