超声波测距的仿真

　　利用555电路产生延时，来模拟超声波传播的时间，从而达到测距的目的。以单片机AT89C51为控制器，利用软件方式增加环境温度及几何角度的补偿，从而提高测距精度。使用软件Proteus构建电路，实现对超声波测距系统的完全仿真。

　　首先，超声波测距有着广泛的应用，其有关的论文也很多，主要体现在硬件构建和编制程序方面，但在仿真研究上相对的不完整，特别是从开始发射波到接收波的这段时间，基本上没有得到仿真。其次，鉴于学生利用资源的经验很少，故在教学方面，特别要求在硬件制作之前有充分的仿真分析，从而很好地完成一次设计。最后，本研究涉及超声波测距的系统，利用555定时器以及简单的RC电路，重点实现超声波发射与接收之间的时间计算与仿真。

　　1 超声波测距原理

　　超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，与超声波传播的路程的远近有关。假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t（s），超声波传播速度为c（m/s），则有关系式：

　　(1)

　　超声波声速c与空气温度有关，一般温度每升高1摄氏度，声速增加0.6米／秒。为提高测量精度，可在硬件电路基本不变的情况下通过软件改进算法的方法加以校正。在本系统中利用AT89C51中的定时器测量超声波传播时间，利用数字温度计DS18B20测量环境温度。空气中声速与温度的关系：

　　(2)

　　式中，T为实际温度，单位为℃

　　声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离：

　　(3)

　　设发射器与接收器之间的中心距离为2h，为了进一步提高测量精度，本设计将根据需要利用软件方式增加角度补偿，得校正关系式（4）：

　　(4)

　　2 超声波仿真电路原理

　　通过对超声波测距原理的分析可知，测距采用了超声波往返时间检测法，其往返时间（延时）可利用集成时基电路来实现。

　　当有来自单片机的引脚P2.4一个负脉冲触发信号加到2端时，并使2端电位瞬时低于1/3VCC，输出端为高电平，电路开始一个暂态过程，电容C开始充电，电容电压按指数规律增长。当电容电压充电到2/3Vcc时，输出为低电平，电容C上电荷很快放电，暂态结束，电路恢复稳态。暂稳态的持续时间tw决定于外接元件R、C值的大小，即：

　　tw＝1.1RC (5)

　　另外，因为单片机的引脚P1.0接收低电平时有效，因此在延时电路输出端再串接一个74LS04与非门，这样在P1.0端就相应地得到一个延时了的正脉冲触发信号，延时电路输入输出波形。

　　3 超声波测距系统仿真电路

　　本系统由AT89C51控制器、超声波延时电路、温度测量电路、按键及提示电路和液晶显示器LCD显示电路组成，使用单片机仿真软件Proteus，利用按钮“开始”和“停止”模拟系统电源的开关，其电路见图3。

　　图3 超声波测距系统设计电路仿真图

　　图中RP1为上拉电阻。现将编制好的程序植入单片机AT89C51，开始仿真，启动测距按键，超声波延时电路和温度测量电路工作，经过AT89C51数据处理将温度和距离显示到LCD上，提示灯熄灭，如果距离小于设定值110mm，提示灯闪烁。

　　4 仿真分析

　　通过计算式（3）～（5），令h=0，得

　　(6)通过改变变阻器RV1的值来改变超声波发射与接收之间的延时，通过改变数字温度计DS18B20的设定值来模拟环境温度的改变。现将计算值和仿真值。

　　随着电阻值的增加，延时加长，测距将会增加；当环境温度升高10℃，声速增加，相应测距略有增加；仿真值与计算值存在粗大误差和累积误差。

　　其中粗大误差来自测量中的盲区，即延时避开直达信号，软件设置为650μs，超声波在这段时间能够传播的距离称为盲区；累积误差主要为元器件自身的时延加长了，误差值将随之增加。

　　至此，超声波测距系统仿真完全实现。本系统易于产品化、具有较强的实用价值，可用于距离探测和方位探测，如液面、井深测量，方位入侵报警、汽车防撞及倒车雷达等。后期可增加串口通讯模块，直接将测距结果通过串口发送到上位机，从而实现更宽广的数据存储和更加灵活的数据操作。

　　詹庄春（作者单位：华南农业大学珠江学院）