蘭 羽

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院電氣學院，陜西 咸陽 712000）

0 引言

超聲波是指振動頻率高于20kHz的機械振動，其有光的聚焦、折射及反射等特性，同時又穿透能力強、能量集中、指向性好和傳輸過程中衰減較小等優(yōu)點。超聲波測距技術(shù)是一種利用超聲波信號在被測介質(zhì)中傳播到接收傳感器的時間來測量距離的一種方法。它具有非接觸式測量、精度高、范圍寬和安裝維護方便等特點［1-2］。為了克服超聲波頻率太高或太低對超聲波測距的影響，系統(tǒng)采用40kHz的超聲波，發(fā)射脈沖群含有8～16個脈沖，以單片機AT89C51為核心，設(shè)計了超聲波測距系統(tǒng)。

1 超聲波測距系統(tǒng)原理

超聲波的測距原理如圖1所示，AT89C51產(chǎn)生40kHz的脈沖，經(jīng)超聲波發(fā)射電路，加在B1向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物立即返回來，接收探頭B2接收到反射波就立即停止計時［3］。在標準情況下，超聲波在空氣中的傳播速度為340m／s，根據(jù)計數(shù)脈沖的重復(fù)周期T，得到渡越時間t=nT，因此，測量實際上變成讀出距離計數(shù)器的數(shù)碼值n。對目標距離R的測定轉(zhuǎn)換為測量脈沖數(shù)n，從而把時間這個連續(xù)量變成了離散的脈沖數(shù)［4］。得到時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離s，即：s=340t／2，這就是超聲波測距的基本原理。在超聲波測距系統(tǒng)中，通常發(fā)射與接收探頭之間有一定距離，為了提高測量精度，需要考慮圖1中指示夾角θ。

圖1 超聲波的測距原理

v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；t為超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間。將式（2）代入式（1）得：

超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個常數(shù)，當需要測量的距離H遠遠大于2探頭B1，B2之間距離時，則式（3）變?yōu)椋篐=。所以，只要測量超聲波傳播的時間t，就得出測量的距離H。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 超聲波傳感器

超聲波傳感器是實現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置。這種裝置能發(fā)射超聲波和接收超聲波回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號。其按收發(fā)方式可分兩類：一類是單晶直探頭，超聲波發(fā)射和接收分別是兩種不同的分體式，此類傳感器測距有效范圍比較大，但不具備防塵、防水性能［5］；另一類是收發(fā)一體式雙晶直探頭，此類超聲波測距有效范圍比較小，防塵、防水性能好。由于考慮到成本等因素，系統(tǒng)所選用分體式探頭，超聲波探頭型號為TCT40T／R（直徑16mm），外形如圖2所示，TC為壓電陶瓷超聲波傳感器；T為通用型；T為發(fā)射；R為接收。其中心頻率為40kHz，相關(guān)參數(shù)是：發(fā)射聲壓≥117dB；標稱頻率為40kHz；靜電容2000pF。

圖2 超聲波探頭外形

2.2 超聲波發(fā)射電路

單片機AT89C51內(nèi)部的振蕩產(chǎn)生40kHz的方波信號由P1.0口輸出，經(jīng)過發(fā)射電路以及超聲波探頭發(fā)射出去，由于超聲波探頭為壓電陶瓷材料制造，單片機直接產(chǎn)生的方波不能直接加到換能器上。從單片機產(chǎn)生的40kHZ方波先通過二階的低通濾波器把方波信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎也ㄐ盘?，然后?jīng)過功率放大集成芯片LM386功率放大后發(fā)射出去。它通過1、8引腳位間電容的搭配，增益最高可達200。LM386可使用電池為供應(yīng)電源，輸入電壓范圍為4～12V，無作動時僅消耗4mA電流，且失真低。原理如圖3所示。

圖3 超聲波發(fā)射模塊原理

2.3 超聲波接收電路

超聲波信號在空氣中傳播一段距離后碰到運動物體反射回來。超聲波接收電路原理如圖4所示，其采用集成電路CX20106A，它是一款集放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和波形整形電路為一體的芯片。因紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路［3］。圖4中，通過適當?shù)母淖僀3的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。

工作原理：CX20106A集成芯片是當超聲波接收探頭接收到超聲波信號時，壓迫壓電晶體做振動，將機械能轉(zhuǎn)化成電信號，由紅外線檢波接收集成芯片CX20106A接收到電信號后，對所接信號進行識別，若頻率在38～40kHz，則輸出為低電平，否則輸出為高電平。

圖4 CX20106A芯片構(gòu)成的超聲波接收電路

2.4 控制及顯示模塊

系統(tǒng)采用AT89C51作為數(shù)據(jù)處理芯片，AT89C51構(gòu)成的最小單片機系統(tǒng)如圖5所示，時鐘采用外部12MHz振蕩電路，系統(tǒng)通過S鍵進行復(fù)位。P1.0口與超聲波發(fā)射電路連接，P3.5口與超聲波接收電路連接。系統(tǒng)采用LCD1602A液晶屏，LCD1602液晶第1、2腳接驅(qū)動電源；第3腳VL為液晶的對比度調(diào)節(jié)，通過在VCC和GND之間接一個10kΩ多圈可調(diào)電阻，中間抽頭接VL，可實現(xiàn)液晶對比度的調(diào)節(jié)；液晶的控制線RS、R／W、E分別接單片機的P2.5，P2.6，P2.7；數(shù)據(jù)口接在單片機的P0口；BL+、BL-為液晶背光電源［6］。液晶顯示器（LCD）具有超薄、功耗低和體積小等優(yōu)點，被廣泛用于低功耗電子產(chǎn)品和智能儀表中［7］。

圖5 單片機控制顯示模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序采用C語言編寫。程序分為2部分，主程序如圖6所示，主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。中斷服務(wù)程序如圖7所示，定時中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、距離計算和結(jié)果的輸出等工作。在啟動發(fā)射電路的同時，啟動單片機內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能，記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，由H=vt計算距離。

圖6 主程序

圖7 定時中斷程序

主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器T0工作模式為16位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0清零。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約0.1ms后，再打開外中斷接收返回的超聲波信號。由于采用的是12MHz的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是1μs，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式H=1／2vt計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，在20℃時的聲速為344m／s則有：H=1／2vt=172×t0m，t0為計數(shù)器 T0的計算值。測出距離后，結(jié)果LCD1602顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。

4 系統(tǒng)調(diào)試

將程序編譯好下載到單片機試運行。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和2次測量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。測試條件：超聲波2探頭中心軸線平行并相距0.05m，環(huán)境溫度為20°對應(yīng)超聲波速度v=344 m／s，經(jīng)多次重復(fù)測試實驗，系統(tǒng)不斷優(yōu)化［8］。最終測試結(jié)果如表1所示。由測試數(shù)據(jù)知系統(tǒng)測量范圍為0.05～3m，相對誤差小于3%。

表1 測距實驗結(jié)果

5 結(jié)束語

系統(tǒng)采用AT89C51單片機為主控核心，以40kHz的超聲波做探測波，設(shè)計了一種超聲波測距系統(tǒng)。在軟件設(shè)計時對聲速進行了溫度補償，并考慮了超聲波收發(fā)探頭之間的距離，以提高系統(tǒng)測量精度。系統(tǒng)具有測量結(jié)構(gòu)簡單、硬件電路簡單易于集成、成本低和、操作簡單方便等優(yōu)點。經(jīng)測試表明，測距范圍從0.08-3m，測量相對誤差小于3%，絕對誤差小于0.04m。可在自動控制系統(tǒng)中的距離、物位和液位要求較高的測量環(huán)境中應(yīng)用。

［1］時德剛，劉 嘩.超聲波測距的研究［J］.計算機測量與控制，2002，9（10）：31-33.

［2］曹建海，路長厚，韓旭東.基于單片機的超聲波液位測量系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2004，（1）：39-40.

［3］蘭 羽，周 茜.超聲波測距系統(tǒng)接收電路研究［J］.電子設(shè)計工程，2012，20（14）：81-83.

［4］羅本成，原 魁，劉晉東.機器人多路超聲波環(huán)境探測器的研制［J］.中國科學院研究生院學報，2002，19（2）：173-176.

［5］何希才.傳感器技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

［6］蘭 羽，張玉潔.光電探測中低噪聲前置放大器的設(shè)計［J］.國外電子測量技術(shù)，2012，31（6）.84-86.

［7］蘭 羽，盧慶林.儀表放大器在激光外差玻璃測厚系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.國外電子測量技術(shù)，2012，31（3）：79-82.

［8］蘇 偉，鞏壁建.超聲波測距誤差分析［J］.傳感器技術(shù)，2004，3（4）：17-20.