方正超，姚善學(xué)

（貴州大學(xué) 理學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

在日常生活中超聲波技術(shù)都有著廣泛的應(yīng)用，例如催化技術(shù)、探傷技術(shù)、清洗技術(shù)、測(cè)距技術(shù)等等[2-5]。超聲波測(cè)距，多應(yīng)用于汽車倒車?yán)走_(dá)、建筑工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控如液位、井深的測(cè)量等，一些不方便有形測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量的場(chǎng)合多可以考慮使用超聲波測(cè)量技術(shù)來(lái)測(cè)量[1-2]。利用超聲波檢測(cè)迅速、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且測(cè)量精度能夠達(dá)到工業(yè)實(shí)用要求。為了試驗(yàn)超聲波測(cè)距控制精度，使得它更加適合于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生活中的檢測(cè)領(lǐng)域。同時(shí)簡(jiǎn)化工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量又能達(dá)到預(yù)期的測(cè)量精度，能夠符合我們現(xiàn)場(chǎng)測(cè)距的要求，給工程實(shí)踐帶來(lái)更多的簡(jiǎn)便易行的方案[3]。

1 超聲波測(cè)距原理

超聲波測(cè)距由超聲波發(fā)射極T40-16發(fā)射聲波，經(jīng)過(guò)障礙物反射，回到接收端R40-16接收到聲波，然后通過(guò)單片機(jī)計(jì)算兩次接到聲波的時(shí)間差來(lái)計(jì)算障礙物與探頭的距離。超聲波測(cè)距示意圖如圖1所示。

如上圖1所示，被測(cè)距離為H，兩探頭中心距離的一半用M表示，超聲波單程所走過(guò)的距離用L表示，由圖中關(guān)系

圖1 超聲波測(cè)距示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic ranging

可得：

將式（2）代入式（1）可得：

在整個(gè)傳播過(guò)程中，超聲波所走過(guò)的距離為：

式中：v為超聲波的傳播速度；t為傳播時(shí)間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間。

將式（4）代入式（3）可得：

當(dāng)被測(cè)距離 H 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 M 時(shí)，cos[arctan（M/H）]≈1，于是式（5）變?yōu)椋?/p>

由此可見(jiàn)，要想測(cè)得距離H，只要測(cè)得超聲波的傳播時(shí)間t和在這個(gè)時(shí)候?qū)?yīng)的外界溫度（℃）然后代入表1對(duì)應(yīng)的速度中即可。溫度和速度對(duì)應(yīng)表如表1所示。

表1 溫度與速度對(duì)應(yīng)表Tab.1 Temperature and the speed of table

2 總體設(shè)計(jì)

該方案主要通過(guò)T/R40－16的集成分立收發(fā)超聲波模塊單元來(lái)發(fā)射和接收超聲波，然后通過(guò)計(jì)算發(fā)射和接收到的時(shí)間差來(lái)計(jì)算障礙物和測(cè)距探頭的距離。同時(shí)通過(guò)DS18B20來(lái)測(cè)試環(huán)境溫度來(lái)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，來(lái)實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)中的更高精度保證設(shè)計(jì)方案的可行性[5－6]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如下：

圖2 超聲測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Design of ultrasonic measurement system block diagram

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制單元At89c52

控制模塊主要由At89c52單片機(jī)、控制電路、復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)，其中還包括振蕩電路使用12 MHz高精度晶振蕩電容選擇30 pF小瓷片電容；復(fù)位電路使用電路；使用普通的電解電容與金屬膜電阻。該單片機(jī)有一下有點(diǎn)：兼容MCS－51指令系統(tǒng)、8k可反復(fù)擦寫（1000次以上）Flash ROM、32個(gè)雙向I/O口、256×8bit內(nèi)部 RAM、3個(gè) 16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷、時(shí)鐘頻率可達(dá)24 MHz、2個(gè)串行中斷，可編程UART串行通道、2個(gè)外部中斷，共8個(gè)中斷源。

3.2 超聲波產(chǎn)生電路

超聲波在空氣中傳播功率及精度與頻率成正比，比較和分析幾個(gè)常用超聲波頻率的特點(diǎn)，最終選取頻率為40 kHz[4]。為了便于超聲波的發(fā)射與接收，超聲波發(fā)射探頭采用共振頻率為40 kHz的TCT40-16探頭，接收探頭采用RCT40-16。超聲波發(fā)射電路主要由超聲波換能器和反相器74LS04構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出40 kHz間斷方波，此時(shí)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，信號(hào)經(jīng)兩反相器送到超聲波換能器的兩個(gè)電極，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反相器并聯(lián)，可以提高驅(qū)動(dòng)能力。電阻R1、R2可以增加超聲波換能器的阻尼效果，這樣可以縮短振蕩時(shí)間，提高74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力。超聲波發(fā)射電路原理圖如圖3所示。

3.3 超聲波接收電路

圖3 超聲波發(fā)射電路原理Fig.3 Ultrasonic transmitting circuit principle

超聲波接收電路采用SONY公司的CX20106A集成電路，對(duì)接收探頭收到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，有較強(qiáng)的抗干擾性和靈敏度。管腳1是超聲波信號(hào)輸入端，其輸入阻抗約為40 kΩ；管腳2的C2、R3決定接收換能器的總增益，增大電阻R或者減小C，將使放大倍數(shù)下降，負(fù)反饋量增大，電容C的改變會(huì)影響到頻率特性，實(shí)際使用中一般不改動(dòng)，推薦選擇參數(shù) R=4.7，C=3.3 μF；管腳3與GND之間連接檢波電容，考慮到檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，推薦參數(shù)3.3 μF；管腳5上的連續(xù)電阻R4用以設(shè)計(jì)帶通濾波器的中心頻率，阻值越大，中心頻率越低，取R=200 kΩ時(shí)，中心頻率約為42 kHz；管腳6與GND之間接入一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330 pF如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短；管腳7是遙控命令輸出端，它是集電極開(kāi)路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為R5=220 kΩ，沒(méi)有接收信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則會(huì)下降；管腳8接電源正極4.5～5 V。超聲波接收電路原理圖如圖4所示。

圖4 超聲波接收電路原理圖Fig.4 Ultrasonic receiving circuit principle diagram

3.4 DS18B20的溫度補(bǔ)償模塊

溫度測(cè)量電路主要作用是測(cè)量電子器件周圍實(shí)時(shí)環(huán)境溫度，超聲波測(cè)距依據(jù)是基于超聲波在空氣中的傳播速度，但溫度會(huì)影響波速，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定使測(cè)得的數(shù)據(jù)更加精確能夠更好的符合我們實(shí)際使用中的要求更好的達(dá)到工程實(shí)際中的精度要求，這里可以通過(guò)增加溫度補(bǔ)償電路，來(lái)解決實(shí)測(cè)精度不高的現(xiàn)象。采用DS18B20數(shù)字溫度芯片采集當(dāng)前空氣溫度，單片機(jī)通過(guò)單總線接口讀到該數(shù)據(jù)，測(cè)溫分辨率可以達(dá)到0.0125℃，該方法可有效地提高測(cè)距精度，且能簡(jiǎn)便的達(dá)到設(shè)計(jì)目的。溫度補(bǔ)償模塊電路圖如下圖5所示。

圖5 溫度補(bǔ)償模塊電路圖Fig.5 Temperature compensation circuit module

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

該測(cè)距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如下圖6所示，主要由外部中斷INT0來(lái)向單片機(jī)申請(qǐng)，當(dāng)R40-16接收到單片機(jī)的反射信號(hào)時(shí)通過(guò)INT0來(lái)申請(qǐng)中斷然后有定時(shí)器T0來(lái)計(jì)算這段兩次反射回來(lái)波形的時(shí)間差，在通過(guò)以設(shè)定好的軟件來(lái)計(jì)算障礙物與發(fā)射探頭的距離。然后由此得出這段需要測(cè)量的距離，最后顯示在LCD顯示屏幕上。

圖6 測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.6 Ranging system software design flow chart

4.2 收發(fā)顯示模塊軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，設(shè)定TOMD為T0工作于方式1即16位定時(shí)計(jì)數(shù)工作模式下，置總中斷允許為EA，將顯示模塊進(jìn)行清0處理，調(diào)用超聲波發(fā)射子程序發(fā)射超聲波，延遲一段時(shí)間（設(shè)計(jì)中延遲為150 ms，可以自行設(shè)定一個(gè)合適的延遲）。打開(kāi)外部中斷INT0來(lái)接收返回的超聲波信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到有外部中斷時(shí)就用發(fā)射和接收回來(lái)的這段時(shí)間差來(lái)計(jì)算障礙物與探頭的距離，最后通過(guò)LCD的display函數(shù)顯示在LCD屏幕上。主程序部分設(shè)計(jì)如下：

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)距都能達(dá)到較高精度。該設(shè)計(jì)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，成本低廉，精確度較高等優(yōu)點(diǎn)適合于工程實(shí)踐當(dāng)中對(duì)于測(cè)距不是要求特別高的領(lǐng)域，而且可以省去好多操作上的麻煩進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。實(shí)際制作之中由于加入了DS18B20進(jìn)行溫度補(bǔ)償使得測(cè)距精度有較大的提高。在設(shè)計(jì)時(shí)采用CX20106A芯片用于檢波放大，減少了電路之間的互相干擾，減小了電噪聲使得系統(tǒng)功能更加的溫度。該系統(tǒng)可廣泛的應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、機(jī)器人檢測(cè)、工程測(cè)距以及諸多測(cè)量領(lǐng)域。

[1]宋楊，王宗偉，戴景民.前置反射式發(fā)射率在線測(cè)量裝置的研制[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，14（3）:126-130.SONG Yong，WANG Zong-wei，DAI Jing-min. The development of emissivity on-line measurement device based on front reflection[J].Journal of Harbin Univefsity of Science and Technology，2009，14（3）:126-130.

[2]王峰，葛立峰.一種高精度超聲測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2008，18（1）:229-231.WANG Feng，GE Li-feng.Design of an ultrasonic range measurement system with high precision [J].Competer Technology and Development，2008，18（1）:229-231.

[3]Tikanmkia，Mkeltpietikinenaeta1.Multi-robot system for exploration in an outdoor environment[J].Ro-botics and Applications and Telematies，2007，9（1）:563-567.

[4]劉升平，王劍，葛紅.超聲波測(cè)距系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009，45（25）:78-81.LIU Shengping，WANG Jian，GE Hong.Ultrasonic ranging system development and resear-Sh[J].Computer Engineering&Applications，2009，45（25）:78-81.

[5]彭翠云，趙廣耀，戎海龍.汽車倒車系統(tǒng)中超聲波測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光，2008，30（2）.251-254.PENG Cui-yun，ZHAO Guang-yao，RONG Hai-long.The design of ultrasonic distance measur-ing system used on carbacking system[J].Piezoelectrics&Acoustooptics，2008，30（2）:251-254.

[6]高飛燕.基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)，2005，29（7）:128-129.GAO Feiyan.Design of ultrasonic distance measurement system based on microprocessor[J].Information Technology，2005，29（7）:128-129.