摘要：介紹了利用超聲波傳感器實現的非接觸式距離檢測系統。該系統可以用于汽車倒車時的報警、液位和物位的非接觸式測量，介紹了超聲波傳感器原理及系統各單元的設計。系統中采用了AT89C2051型單片機作為主控制器。把一種直流電機PWM調速芯片應用到此系統中，使得控制方法簡便，應用范圍增強，同時可以利用單片機設定距離值和輸出控制信號。最終距離用串行方法在數碼管上顯示出來，可以直觀地查看距離值，以實現測距、顯示、輸出控制信號的功能。

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。控制輸出電路中EN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