１、引言

超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的，可在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播，具有定向性好、能量集中、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。超聲波傳感器可廣泛應(yīng)用于非接觸式檢測方法，它不受光線、被測物顏色等影響，對(duì)惡劣的工作環(huán)境具有一定的適應(yīng)能力，因此在水文液位測量、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文著重介紹脈沖回波法的超聲空氣測距原理及系統(tǒng)構(gòu)成。

２、工作原理

超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差Δｔ，然后求出距離Ｓ。在速度ｖ已知的情況下，距離Ｓ的計(jì)算，公式如下：

Ｓ＝ｖΔｔ／２

在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是３３４米／秒，但其傳播速度Ｖ易受空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如溫度每升高１℃，聲速增加約０．６米／秒。因此在測距精度要求很高的情況下，應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度加以校正。已知現(xiàn)場環(huán)境溫度Ｔ時(shí)，超聲波傳播速度Ｖ的計(jì)算公式如下：

Ｖ＝３３１．５＋０．６０７Ｔ

這樣，只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差Δｔ以及現(xiàn)場環(huán)境溫度Ｔ，就可以精確計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物之間的距離。

微電腦超聲測距儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。該系統(tǒng)由ＡＴ８９Ｃ２０５１單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、接收放大電路、環(huán)境溫度采集電路及顯示電路組成。ＡＴ８９Ｃ２０５１單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，用來協(xié)調(diào)各部件的工作。先由單片機(jī)控制的振蕩源產(chǎn)生４０ｋＨｚ的頻率信號(hào)以驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器，它每次發(fā)射１０個(gè)脈沖。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)超聲波脈沖發(fā)射后，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，在檢測到第一個(gè)回波脈沖的瞬間，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這樣就能夠得到從發(fā)射到接收的時(shí)間差Δｔ；同時(shí)溫度采集電路也將現(xiàn)場環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集到單片機(jī)中，以在計(jì)算距離時(shí)對(duì)超聲波傳播速度進(jìn)行修正。根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)最終利用單片機(jī)計(jì)算出被測距離，并由顯示器顯示出來。

２．１ 單片機(jī)與各部分電路的接口

本系統(tǒng)以ＡＴ８９Ｃ２０５１單片機(jī)為核心來實(shí)現(xiàn)對(duì)各部分電路的控制和響應(yīng)。在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，ＡＴ８９Ｃ２０５１的串行口ＲＸＤ、ＴＸＤ分別與顯示電路的ＲＸＤ和ＴＸＤ相連，構(gòu)成串行靜態(tài)顯示電路；定時(shí)／記數(shù)器Ｔ０與Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換器ＬＭ３３１的輸出端相連，實(shí)現(xiàn)頻率采集功能；Ｐ１．７與ＣＭＯＳ多諧振蕩器的控制端相連，可通過軟件使Ｐ１．７口輸出高電平或低電平，從而控制超聲波的發(fā)射；Ｐ１．６通過一個(gè)開關(guān)二極管ＩＮ４１４８與比較器的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路控制端連接，發(fā)射超聲波時(shí)置Ｐ１．６ 為“１”；Ｐ１．２口連接比較器ＬＭ３２４的輸出端，這樣，通過掃描Ｐ１．２口就可以判斷是否接收到回波。

２．２ 超聲波發(fā)射及驅(qū)動(dòng)電路

超聲波發(fā)射及驅(qū)動(dòng)電路如圖２所示，由與非門ＣＤ４０１１組成的ＣＭＯＳ多諧振蕩器產(chǎn)生４０ｋＨｚ的振蕩源，為了控制振蕩的產(chǎn)生或者停止，把第一個(gè)門Ｕ１的一個(gè)輸入端作為控制端Ｃ，當(dāng)Ｃ＝“０”時(shí)，振蕩停止；Ｃ＝“１”時(shí)，產(chǎn)生振蕩。將Ｃ端與ＡＴ８９Ｃ２０５１單片機(jī)的Ｐ１．７口連接后，就可通過微處理器來控制超聲波的發(fā)射。需要注意的是，控制脈沖的頻率（Ｐ１．７口高、低電平的變化頻率）必須遠(yuǎn)低于多諧振蕩器的振蕩頻率。該電路的振蕩周期可由以下公式得出：

ｔ＝２．２ＲｔＣｔ

由于超聲波的傳播距離與它的振幅成正比，為了使測距范圍足夠遠(yuǎn)，可對(duì)振蕩信號(hào)進(jìn)行功率放大后再加在超聲波傳感器上。本電路采用ＣＤ４０４９組成驅(qū)動(dòng)電路可將振蕩信號(hào)的幅度放大一倍，從而增加了超聲波的傳播距離，擴(kuò)大了測距范圍。

為防止絕緣電阻下降導(dǎo)致超聲波傳感器轉(zhuǎn)換性能變壞，不能長時(shí)間的對(duì)傳感器施加直流電壓。因此在電路中串入一個(gè)耦合電容Ｃ１，通過它可以將直流電壓轉(zhuǎn)換為等幅的交流電壓，從而保證測距儀能夠長時(shí)間可靠、穩(wěn)定的工作。

２．３ 超聲波接收及過零檢測電路

超聲波接收及過零檢測電路原理圖如圖３所示。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)，其能量的衰減程度與傳播距離成正比，所以超聲波傳感器接收信號(hào)一般在１ｍＶ～１Ｖ之間。為了便于使用，接收電路要提供１００倍以上的放大增益。此外，接收傳感器輸出的是正弦波信號(hào)，這就需要設(shè)計(jì)交流放大電路。本系統(tǒng)選用兩片ＯＰ０７組成兩級(jí)放大電路，對(duì)接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行放大處理。信號(hào)經(jīng)過放大以后，輸入ＬＭ３２４的正端并與基準(zhǔn)電壓相比較，使ＬＭ３２４的輸出端（與單片機(jī)的Ｐ１．２口連接）輸出高電平，單片機(jī)接收到回波后立即停止記時(shí)。

在單片機(jī)控制超聲波發(fā)射（Ｐ１．７置“１”）的同時(shí)，Ｐ１．６輸出一個(gè)高電平，給電容Ｃ５充電，并經(jīng)一串聯(lián)分壓網(wǎng)絡(luò)將該電壓輸出到比較器的負(fù)端，這樣可以有效抑制由于超聲波發(fā)射器發(fā)射的超聲波直接輻射到接收器而導(dǎo)致的比較器誤反轉(zhuǎn)，從而得到錯(cuò)誤檢測信號(hào)。發(fā)射結(jié)束后Ｐ１．６口由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，比較器的負(fù)端也為低電平，若ＬＭ３２４的輸出端為高電平，則表明已接收到回波信號(hào)。

２．４ 溫度采集及Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換電路

溫度采樣電路部分包括測溫電橋、放大電路和Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換電路。其中Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換電路原理如圖４所示。

測溫電橋采用鉑熱電阻ＰＴ１００做為溫度傳感器。經(jīng)取樣電橋采樣后，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)放大后接入由ＬＭ３３１組成的Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換電路。該電路轉(zhuǎn)換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)１２位。

由公式ｆ０＝Ｖｉ／（ＲＬＩＲｔ） 可知，電阻Ｒｓ、ＲＬ、Ｒｔ和電容Ｃｔ直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果ｆ０，因此對(duì)元件的精度要有一定的要求。電容Ｃｌ對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果雖然沒有直接的影響，但應(yīng)選擇漏電流小的電容器。電阻Ｒ１和電容Ｃ１組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉(zhuǎn)換精度。

３、軟件設(shè)計(jì)

由于超聲發(fā)射傳感器與超聲接收傳感器相隔很近，當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，接收傳感器會(huì)收到很強(qiáng)的干擾信號(hào)。為防止系統(tǒng)的誤測，在軟件上采用延遲接收技術(shù)，來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。一旦按下起始鍵，即發(fā)送發(fā)射超聲波的指令，同時(shí)單片機(jī)控制系統(tǒng)開始執(zhí)行程序，完成對(duì)溫度的采樣、濾波，然后獲得發(fā)送、接收超聲波的時(shí)間間隔，最后計(jì)算出距離值。本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、測距子程序、測溫子程序、顯示子程序等主要模塊組成。主程序框圖如圖５所示。

４、 結(jié)束語

超聲測距儀系統(tǒng)利用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)無接觸式空氣測距，并充分考慮到環(huán)境溫度對(duì)超聲波傳遞速度的影響，通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳遞速度予以校正，因此具有較高的測量精度。

本系統(tǒng)具有測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，適用于水文液位測量、障礙物的識(shí)別以及車輛自動(dòng)導(dǎo)航等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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