引言

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，測(cè)距技術(shù)越來越先進(jìn)，從采用卷尺人工進(jìn)行丈量，到用水準(zhǔn)儀和三角理論進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，甚至采用激光測(cè)距等，這些測(cè)量手段因精度低、操作繁瑣或成本高而不盡人意。隨著超聲波的應(yīng)用日益廣泛，超聲測(cè)距在測(cè)試領(lǐng)域中得到應(yīng)用，該類產(chǎn)品如進(jìn)口的超聲波液位計(jì)、超聲波測(cè)位儀等性能雖好，但價(jià)格昂貴。目前，超聲波傳感器技術(shù)已廣泛用于工業(yè)、國(guó)防、交通、生物醫(yī)療和家庭領(lǐng)域。超聲波傳感器技術(shù)與信息技術(shù)、集成工藝相結(jié)合，為開發(fā)智能化、高靈敏度的超聲波儀器設(shè)備創(chuàng)造了有利條件。鑒于此，運(yùn)用嵌入式單片機(jī)技術(shù)、結(jié)合CAN總線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)一種嵌入式超聲波測(cè)距儀具有很大的發(fā)展前景。它可以做到成本低、外圍電路簡(jiǎn)單、功能齊全、能夠滿足一定的測(cè)量要求。

　　1　超聲波傳感器

　　1.1　典型結(jié)構(gòu)

　　超聲波傳感器是利用超聲波的特性而研制的傳感器，超聲波傳感器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是把成正方形的兩個(gè)壓電晶片（亦稱雙晶振子）按照相反的極性粘貼在一起，再引出兩個(gè)電極。壓電晶片上面有金屬震動(dòng)板和圓錐形振子。圓錐形振子具有很強(qiáng)的方向性，便于發(fā)送和接收超聲波。超聲波傳感器采用金屬或塑料外殼，其頂部有屏蔽柵。

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　　1.2　測(cè)距原理

　　超聲波具有頻率較高，沿直線傳播、方向性好、繞射小、穿透力強(qiáng)、傳播速度慢（約340m/s,與聲速相同）等特點(diǎn)。

　　超聲波對(duì)固體和液體的穿透能力強(qiáng)，尤其對(duì)于在陽光下不透明的固體，可以穿透幾十m的深度。超聲波遇到雜質(zhì)或分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波，利用這一特性可構(gòu)成超聲波探傷儀或測(cè)距儀。超聲波遇到移動(dòng)物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)（DopplerEffect），使接收到的頻率發(fā)生變化，由此可制成多普勒測(cè)距系統(tǒng)。

　　超聲波測(cè)距原理是超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波脈沖，經(jīng)媒質(zhì)（空氣）傳到物體表面，反射后通過媒質(zhì)（空氣）傳到接收探頭，測(cè)出超聲脈沖從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，根據(jù)媒質(zhì)中的聲速，求得從探頭到物體表面之間的距離。設(shè)探頭到物體表面的距離為L(zhǎng),超聲在空氣中的傳播速為v,從發(fā)射到接收所需的傳播時(shí)間為t,則有：L=vt/2。由此可見，被測(cè)距離L與傳播時(shí)間之間具有確定的函數(shù)關(guān)系，只要能測(cè)出時(shí)間t,即可求出距離L,通過軟件實(shí)現(xiàn)直接在顯示器上顯示L的值。

　　2　硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1　整體方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)所給的設(shè)計(jì)要求，即具有數(shù)字顯示、鍵盤輸入、超聲波發(fā)射與接收、能通過CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通信、異常情況自動(dòng)報(bào)警等功能。可以構(gòu)架出此嵌入式超聲波測(cè)距儀的整體方案設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。從圖2中可以看出整體硬件電路設(shè)計(jì)主要包括：微處理器AT89C51部分、電源電路部分、超聲波發(fā)射與接收電路部分、鍵盤輸入部分、CAN總線通信部分、LED顯示部分。現(xiàn)將重點(diǎn)介紹超聲波發(fā)射、接收電路和CAN總線通信電路的具體設(shè)計(jì)。

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　　2.2　超聲波測(cè)距電路

　　超聲波測(cè)距電路主要包括兩個(gè)部分：超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路，具體的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。圖2中上半部分就是超聲波發(fā)射電路，微處理器AT89C51通過編程在端口P16產(chǎn)生一個(gè)40kHz的超聲波信號(hào)，經(jīng)過兩個(gè)74LS14非門將信號(hào)驅(qū)動(dòng)整形，再由三極管Q9對(duì)其進(jìn)行放大，最后經(jīng)過變壓器T1送到超聲波傳感器CSB-T40,這樣就可以通過超聲波傳感器CSB-T40發(fā)出相應(yīng)的超聲波信號(hào)。而圖3中的下半部分就是超聲波接收電路，超聲波信號(hào)通過障礙物發(fā)射到超聲波傳感器CSB-R40后，產(chǎn)生一定的電信號(hào)，電信號(hào)通過集成塊BX1490放大后送到了2個(gè)74LS14非門電路整形，最后進(jìn)入微處理器AT89C51的P17端口。這樣就完成了1次超聲波測(cè)距的掃描過程，它可以通過程序來控制計(jì)數(shù)器，將計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的時(shí)間，再用時(shí)間乘以超聲波的傳播速度后除以2,既可以得到障礙物與超聲波傳感器之間的距離。

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2.3　CAN總線通信電路

　　考慮到現(xiàn)在的智能測(cè)試設(shè)備日益趨于網(wǎng)絡(luò)化，則將CAN總線通信功能也設(shè)計(jì)進(jìn)了此嵌入式超聲波測(cè)距儀中，CAN總線通信電路系統(tǒng)主要有AT89C51微控制器、獨(dú)立CAN通信控制器SJA1000、CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250及復(fù)位電路IMP708組成。CAN總線應(yīng)用節(jié)點(diǎn)具體電路設(shè)計(jì)如下圖4所示。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，設(shè)計(jì)在SJA1000和CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250之間增加了光電隔離器6N137。當(dāng)微處理器AT89C51將測(cè)距結(jié)果數(shù)據(jù)通過P0口發(fā)送到CAN總線控制器SJA1000,由SJA1000將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)從端口TX0發(fā)出，經(jīng)過光電隔離器6N137后到達(dá)CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250,最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。相反，來自CAN總線的數(shù)據(jù)也可以經(jīng)過相應(yīng)電路到達(dá)微處理器。這樣就可以實(shí)現(xiàn)測(cè)距儀與上位機(jī)的通信功能。

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