時(shí)差法超聲測距儀的研制
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摘要：微電腦超聲測距儀由AT89C2051單片機、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收放大電路、環(huán)境溫度采集電路及顯示電路組成。該測距儀具有集成度高、反應速度快，測量精度高、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)。文中主要介紹了脈沖回波法的超聲空氣測距原理及其系統構成。
關(guān)鍵詞：單片機；超聲波；測距
１ 引言
超聲波是由機械振動(dòng)產(chǎn)生的，可在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播，具有定向性好、能量集中、傳輸過(guò)程中衰減較小、反射能力較強等優(yōu)點(diǎn)。超聲波傳感器可廣泛應用于非接觸式檢測方法，它不受光線(xiàn)、被測物顏色等影響，對惡劣的工作環(huán)境具有一定的適應能力，因此在水文液位測量、車(chē)輛自動(dòng)導航、物體識別等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。本文著(zhù)重介紹脈沖回波法的超聲空氣測距原理及系統構成。
圖1
２ 工作原理
超聲波測距是通過(guò)不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差Δｔ，然后求出距離Ｓ。在速度ｖ已知的情況下，距離Ｓ的計算，公式如下：
Ｓ＝ｖΔｔ／２
在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是３３４米／秒，但其傳播速度Ｖ易受空氣中溫度、濕度、壓強等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如溫度每升高１℃，聲速增加約０．６米／秒。因此在測距精度要求很高的情況下，應通過(guò)溫度補償的方法對傳播速度加以校正。已知現場(chǎng)環(huán)境溫度Ｔ時(shí)，超聲波傳播速度Ｖ的計算公式如下：
Ｖ＝３３１．５＋０．６０７Ｔ
這樣，只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差Δｔ以及現場(chǎng)環(huán)境溫度Ｔ，就可以精確計算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物之間的距離。
圖2
微電腦超聲測距儀的硬件結構框圖如圖１所示。該系統由ＡＴ８９Ｃ２０５１單片機、超聲波發(fā)射電路、接收放大電路、環(huán)境溫度采集電路及顯示電路組成。ＡＴ８９Ｃ２０５１單片機是整個(gè)系統的核心部件，用來(lái)協(xié)調各部件的工作。先由單片機控制的振蕩源產(chǎn)生４０ｋＨｚ的頻率信號以驅動(dòng)超聲波傳感器，它每次發(fā)射１０個(gè)脈沖。當第一個(gè)超聲波脈沖發(fā)射后，計數器開(kāi)始計數，在檢測到第一個(gè)回波脈沖的瞬間，計數器停止計數，這樣就能夠得到從發(fā)射到接收的時(shí)間差Δｔ；同時(shí)溫度采集電路也將現場(chǎng)環(huán)境溫度數據采集到單片機中，以在計算距離時(shí)對超聲波傳播速度進(jìn)行修正。根據所采集到的數據最終利用單片機計算出被測距離，并由顯示器顯示出來(lái)。
２．１ 單片機與各部分電路的接口
本系統以ＡＴ８９Ｃ２０５１單片機為核心來(lái)實(shí)現對各部分電路的控制和響應。在進(jìn)行硬件設計時(shí)，ＡＴ８９Ｃ２０５１的串行口ＲＸＤ、ＴＸＤ分別與顯示電路的ＲＸＤ和ＴＸＤ相連，構成串行靜態(tài)顯示電路；定時(shí)／記數器Ｔ０與Ｖ／Ｆ轉換器ＬＭ３３１的輸出端相連，實(shí)現頻率采集功能；Ｐ１．７與ＣＭＯＳ多諧振蕩器的控制端相連，可通過(guò)軟件使Ｐ１．７口輸出高電平或低電平，從而控制超聲波的發(fā)射；Ｐ１．６通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)二極管ＩＮ４１４８與比較器的基準電壓產(chǎn)生電路控制端連接，發(fā)射超聲波時(shí)置Ｐ１．６ 為“１”；Ｐ１．２口連接比較器ＬＭ３２４的輸出端，這樣，通過(guò)掃描Ｐ１．２口就可以判斷是否接收到回波。
２．２ 超聲波發(fā)射及驅動(dòng)電路
超聲波發(fā)射及驅動(dòng)電路如圖２所示，由與非門(mén)ＣＤ４０１１組成的ＣＭＯＳ多諧振蕩器產(chǎn)生４０ｋＨｚ的振蕩源，為了控制振蕩的產(chǎn)生或者停止，把第一個(gè)門(mén)Ｕ１的一個(gè)輸入端作為控制端Ｃ，當Ｃ＝“０”時(shí)，振蕩停止；Ｃ＝“１”時(shí)，產(chǎn)生振蕩。將Ｃ端與ＡＴ８９Ｃ２０５１單片機的Ｐ１．７口連接后，就可通過(guò)微處理器來(lái)控制超聲波的發(fā)射。需要注意的是，控制脈沖的頻率（Ｐ１．７口高、低電平的變化頻率）必須遠低于多諧振蕩器的振蕩頻率。該電路的振蕩周期可由以下公式得出：
ｔ＝２．２ＲｔＣｔ
由于超聲波的傳播距離與它的振幅成正比，為了使測距范圍足夠遠，可對振蕩信號進(jìn)行功率放大后再加在超聲波傳感器上。本電路采用ＣＤ４０４９組成驅動(dòng)電路可將振蕩信號的幅度放大一倍，從而增加了超聲波的傳播距離，擴大了測距范圍。
圖3
２．３ 超聲波接收及過(guò)零檢測電路
超聲波接收及過(guò)零檢測電路原理圖如圖３所示。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)，其能量的衰減程度與傳播距離成正比，所以超聲波傳感器接收信號一般在１ｍＶ～１Ｖ之間。為了便于使用，接收電路要提供１００倍以上的放大增益。此外，接收傳感器輸出的是正弦波信號，這就需要設計交流放大電路。本系統選用兩片ＯＰ０７組成兩級放大電路，對接收到的超聲波信號進(jìn)行放大處理。信號經(jīng)過(guò)放大以后，輸入ＬＭ３２４的正端并與基準電壓相比較，使ＬＭ３２４的輸出端（與單片機的Ｐ１．２口連接）輸出高電平，單片機接收到回波后立即停止記時(shí)。
在單片機控制超聲波發(fā)射（Ｐ１．７置“１”）的同時(shí)，Ｐ１．６輸出一個(gè)高電平，給電容Ｃ５充電，并經(jīng)一串聯(lián)分壓網(wǎng)絡(luò )將該電壓輸出到比較器的負端，這樣可以有效抑制由于超聲波發(fā)射器發(fā)射的超聲波直接輻射到接收器而導致的比較器誤反轉，從而得到錯誤檢測信號。發(fā)射結束后Ｐ１．６口由高電平翻轉為低電平，比較器的負端也為低電平，若ＬＭ３２４的輸出端為高電平，則表明已接收到回波信號。
２．４ 溫度采集及Ｖ／Ｆ轉換電路
溫度采樣電路部分包括測溫電橋、放大電路和Ｖ／Ｆ轉換電路。其中Ｖ／Ｆ轉換電路原理如圖４所示。
測溫電橋采用鉑熱電阻ＰＴ１００做為溫度傳感器。經(jīng)取樣電橋采樣后，將溫度信號轉換成電壓信號，再經(jīng)放大后接入由ＬＭ３３１組成的Ｖ／Ｆ轉換電路。該電路轉換精度高，數字分辨率可達１２位。
由公式ｆ０＝Ｖｉ／（ＲＬＩＲｔ） 可知，電阻Ｒｓ、ＲＬ、Ｒｔ和電容Ｃｔ直接影響轉換結果ｆ０，因此對元件的精度要有一定的要求。電容Ｃｌ對轉換結果雖然沒(méi)有直接的影響，但應選擇漏電流小的電容器。電阻Ｒ１和電容Ｃ１組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉換精度。
３ 軟件設計
由于超聲發(fā)射傳感器與超聲接收傳感器相隔很近，當發(fā)射超聲波時(shí)，接收傳感器會(huì )收到很強的干擾信號。為防止系統的誤測，在軟件上采用延遲接收技術(shù)，來(lái)提高系統的抗干擾能力。一旦按下起始鍵，即發(fā)送發(fā)射超聲波的指令，同時(shí)單片機控制系統開(kāi)始執行程序，完成對溫度的采樣、濾波，然后獲得發(fā)送、接收超聲波的時(shí)間間隔，最后計算出距離值。本系統軟件采用模塊化設計，由主程序、測距子程序、測溫子程序、顯示子程序等主要模塊組成。主程序框圖如圖５所示。
４ 結束語(yǔ)
超聲測距儀系統利用超聲波傳感器實(shí)現無(wú)接觸式空氣測距，并充分考慮到環(huán)境溫度對超聲波傳遞速度的影響，通過(guò)溫度補償的方法對傳遞速度予以校正，因此具有較高的測量精度。
本系統具有測量精度高，抗干擾能力強，反應速度快等特點(diǎn)，適用于水文液位測量、障礙物的識別以及車(chē)輛自動(dòng)導航等領(lǐng)域，具有廣闊的應用前景。
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