非接觸式的距離測量在工業中有廣泛的應用機器人視覺系統中對距離的測量，汽車倒車雷達系統及液位、物位的檢測系統等。有鑒于此，設計了基于超聲波傳感器的測距控制系統，以實現距離的測量和顯示，并能輸出控制信號及實現和上位機的通信。與以往類似系統不同的是：本設計采用了一種直流電機PWM調速芯片作為超聲波發射驅動電路。

其優點是：電路簡單，易于控制，而且對于不同電壓峰值要求的超聲波傳感器，可以改變其供電電壓值。

顯示部分采用一種串行通訊芯片驅動數碼管，以節約單片機IO口的使用數量和提高數碼量，因此，系統應用靈活，實用性強，其模塊化設計可嵌入到不同的系統中。

1 超聲波測距傳感器

超聲波傳感器是一種換能器，它把電能或機械能轉換成聲能。本設計采用壓電式超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的。該傳感器有2個壓電晶片和1個共振板，當其兩極外加脈沖信號，且頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動產生超聲波。如果兩極問不加電壓，當共振板接收到超聲波時，聲波將迫使壓電晶片振動，使機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器。

每個傳感器的中心頻率都存在一定的誤差，在40 kHz左右波動。而且超聲波傳感器發射波束時存在發散角問題，一般發散角都比較大，從而導致了方向性較差。同時，隨著傳播距離的增大，在不同的發散角上信號衰減的程度也有變化。它在空氣中的發散角及耗散性如圖1所示。

圖1 發散角與耗散性

采用反射式超聲波測距的原理是：當單片機控制超聲波傳感器向某一方向發射波束的同時，單片機內部開始計時。在傳播過程中，超聲波遇障礙物后反射回波。傳感器接收到第一個反射波后，停止計時。由于超聲波在空氣中的傳播速度是340 m/s,根據計時時間及公式S=340 t/2,即可得到發射點距障礙物的距離S.

2 系統總體方案設計

超聲波測距系統包括4個部分，即①發射電路中振蕩器驅動控制電路；②接收電路中模擬放大、濾波、信號調制電路；③數碼管顯示電路；④單片機系統及其串口輸出、控制信號輸出、按鍵輸入部分。其方框圖如圖2所示。

圖2 系統原理框圖

3 硬件電路設計

3.1 超聲波發射單元

超聲波發射單元包括振蕩電路和驅動電路。振蕩電路是由反相器CD4069組成的非對稱式多諧振蕩器，它產生40 kHz的方波脈沖電路如圖3所示。

圖3 振蕩電路

電路中G2輸出的電壓由于 ,的調節，可以改變輸入到G1輸入端的相位。當相位達到同相時，G1和G2實現正反饋，G1和G2就成了穩定的振蕩器。振蕩周期公式為T=2.2×Rf×C.因為CD4069為CMOS結構，所以邏輯門前的電阻RP為G1的保護電阻。當RP足夠大時，G1的輸入電流可忽略不計。

由于超聲波換能器中心頻率都有偏差，所以Pf采用電位計，可以調節到最佳諧振點，這也是不用單片機產生方波的原因。電路中Z1,Z2同時得到相位相反的2路控制脈沖，提供給驅動電路。

驅動控制電路如圖4所示。它采用了L293型直流電機PWM調速芯片，它內部的H橋電路可以產生相位相反的兩路脈沖。驅動電路的直流電源電壓可以改變，以適應不同傳感器對電壓的要求。振蕩電路中產生方波的Z1、Z2端，分別接到驅動電路1N1,IN2端?？刂戚敵鲭娐分蠩N端為輸出使能端，它接到單片機的P1.7端口，該端口精確輸出高電平時問來控制發射方波的個數。這在設計上使得控制和方波產生相對獨立，從而使得電路簡單、控制精確、易于調試。

圖4 驅動電路。

3.2 超聲波接收單元

超聲波接收單元中包括：模擬放大、濾波電路、電平轉換電路，如圖5所示。模擬放大器選用高精度儀用放大器LM318作為信號放大與濾波之用，它的單位增益帶寬為15 MHz,超出音頻范圍能夠滿足40 kHz的要求。在放大電路的負反饋回路中接入電容C1構成低通濾波器。電容的選擇可由公式。f=1/2πRfC求出，式中f0為采用的超聲波頻率，Rf為第一級的反饋電阻。因為多諧振蕩器中有高頻分量噪聲，所以通過低通濾波器將高頻噪聲濾掉。經過2極放大后，通過電容耦合，信號與參考電壓比較產生高低電平，提供給單片機產生中斷。參考電壓設定為1 V左右，以提高靈敏度。第2個比較器僅起反相作用 .

圖5 接收電路

3.3 數碼管顯示電路

數據顯示采用串行接口LED顯示驅動管理芯片MC14489,它的輸入端與系統CPU之間只有3條I/0口線相連。這3個端口是：使能端ENBLE、時鐘端CLOCK、數據端DATA IN,通過這3個端口寫控制字和數據。更新顯示寄存器的內容，需要傳送3個字節的信息，更新配置寄存器的內容僅需要傳送一個字節的信息。這種芯片可以顯示5位數碼管數據，本系統只用到了4位。驅動電壓為5 V,亮度調節通過 端口與地之間連接的電阻來調節，電阻增大亮度減小。顯示電路如圖6所示。

圖6 顯示電路

3.4 單片機系統

發射的超聲波被調制成包含40 kHz方波的具有一定時間間隔的矩形波脈沖信號，其發射、接收脈沖工作時序圖如圖7所示。由單片機AT89C2051的P1.7口控制H橋電路的使能端EN,送出40 kHz的超聲波脈沖信號，其脈沖寬度及脈沖間隔均由軟件控制。脈沖寬度約為125~200us,即在一個調制脈沖內包含5~8個40 kHz的方波。脈沖發送間隔取決于要求測量的最大距離。若在有效測距范圍內有被測物體，則在后一次超聲波束發出之前應當接收到前一次發射的反射波，否則認為前方無被測物體。因此，按有效測距范圍可以估算出最短的脈沖間隔發送時間。例如：最大測距范圍為10m時，脈沖間隔時間t:2s/v=2×10/340≈60ms,實際應取t≥60 ms.本系統為方便起見，選擇脈沖間隔定時器為65 ms.

圖7 發射和接收脈沖時序圖

3.5 串口輸出

MC14489可以通過和單片機串口進行通信，當顯示面板離主控制板較遠時，數據信號將會衰減，所以可通過串口來傳輸數據。

3.6 按鍵輸入

本系統可以設定距離值，當大于或小于設定值時將發出控制信號。P1.5、P1.6輸出高低電平，從而可以控制繼電器等外部設備。由3個按鍵設定距離值：S0的作用是進入和退出設定，S1和S2分別是向上加值和向下減值，每按一次加或減一厘米，由數碼管輸出顯示。

4 系統軟件設計

該系統軟件采用8051匯編語言編寫，主程序流程圖如圖8所示。AT89C2051單片機有2個外中斷口，分別用于接收回波中斷和按鍵輸人中斷，對應2個外中斷子程序。此外，還用到了內部中斷定時器， 它用于控制發送載波脈沖，如圖9所示。 定時器65 ms產生中斷一次，主要是發送載波脈沖和計數器清零。外中斷0將在有下降沿觸發時產生中斷，用于讀取定時器產生的計時值和使標志位置位。外中斷1是按鍵輸人中斷，用于提供比較值來輸出控制信號。S0第一次觸發為中斷產生信號，再次觸發則為輸入確定信號。S1和S2按鍵是輸入值增加和減少按鍵，它們通過判斷對應的10口狀態來確定是否輸入。

圖8 主程序流程圖

圖9 各中斷子程序流程圖

5 測試結果與分析

超聲波測距系統調試完成后，對系統進行了測試。在超聲波換能器與較大平面（如墻壁面）法線方向一致時，量程為0.04-10 m,測距盲區為4Cm,分辨率為0.01 m,最大測量誤差≤0.02 m.因為超聲波具有一定發散角，所以當在正前方和斜前方都有物體時，會以距發射器最近的物體作為探測目標。

誤差分析：限制該系統最大可測距離的因素包括：超聲波的幅度、反射面的質地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。測距誤差主要于以下幾個方面：①超聲波波束對探測目標的入射角的影響；②超聲波回波聲強與待測距離的遠近有直接關系；③超聲波傳播速度對測距是有影響的。穩定準確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，傳播媒質的特性，如溫度、壓力、密度對聲速都將產生影響。因此，為了準確地計算距離，應對聲速加以修正，系統程序中采用了軟件補償措施。

6 結束語

介紹了一種超聲波測距系統，采用單片機及專門設計的驅動和接收電路，通過超聲波換能器，可以測量和顯示0.04-10 m內的物體距離，分辨率可達到O.O1 m.這種測距系統可用于物面和液面測量，汽車倒車報警裝置。硬件采用模塊化設計，可以嵌入到其他系統中。