一種高精度超聲波測距系統研究

摘要：介紹了一種以單片機AT89S52為核心，同時(shí)用74LS04驅動(dòng)超聲波發(fā)射探頭，用CX20106A對接收信號進(jìn)行放大、濾波、檢波并輸出負脈沖的低成本、高精度超聲波測距系統的硬件和軟件設計方法。實(shí)驗證明，這套超聲波測距系統軟硬件設計合理、抗干擾能力強、實(shí)時(shí)性好。
關(guān)鍵詞：超聲波；測距；單片機；高精度

0 引言
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波在測距儀中的應用越來(lái)越廣。但就目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限，因此，超聲波測距還是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。為了能順利地完成汽車(chē)的停放，應用測距電路能更準確、即時(shí)地得到汽車(chē)與障礙物的距離。
智能機器人進(jìn)入人們的家庭不再是科幻片里面的情節，現在已經(jīng)有很多機器人開(kāi)始普及，如智能清潔機器人、智能防盜機器人等。而這些機器人是需要感覺(jué)周?chē)沫h(huán)境來(lái)做出判斷的，測距系統就能發(fā)揮很大的作用。因此，設計高穩定性、高精度的超聲波測距儀就顯得特別重要。

1 超聲波測距原理
和蝙蝠探測障礙物的方法一樣，用超聲波測距時(shí)，先由超聲波測距儀向前方發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中直線(xiàn)傳播。當前方有障礙物時(shí)，超聲波發(fā)生反射并被接收端接收。這樣，通過(guò)比較反射回來(lái)的超聲波與發(fā)射超聲波的時(shí)間差，就可以計算出測距儀到阻礙物之間的距離。
反射超聲波與發(fā)射超聲波的時(shí)間差比較容易獲取，且計算只與超聲波在空氣中的傳播速度有關(guān)，因此，這種方法將得到普遍應用。若超聲波以速度v在空氣中傳播，遇到物體后反射，由接收器接收的時(shí)間差為t，那么，由s=vt／2，就可以計算出所測距離。但是，超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)，如果測距精度要求很高，就需要通過(guò)溫度補償的方法加以校正。

2 系統的總體設計
超聲波測距系統的整個(gè)系統由單片機來(lái)控制。啟動(dòng)測量時(shí)，由單片機發(fā)出一個(gè)控制信號去觸發(fā)發(fā)射電路，使發(fā)射電路起振，同時(shí)驅動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)射出一串超聲波脈沖(六個(gè)脈沖)，并同時(shí)啟動(dòng)單片機的定時(shí)計數器開(kāi)始計數，也就是開(kāi)始測量渡越時(shí)間。當這些脈沖到達被測目標時(shí)，將發(fā)生反射，并經(jīng)空氣傳播被超聲波接收器接收，再由放大電路進(jìn)行選頻放大。接收到的第一個(gè)脈沖去觸發(fā)單片機的外部中斷，使定時(shí)計數器停止計數，這樣，根據計數器的值就可以算出時(shí)間。
2．1 系統硬件設計
2．1．1 超聲波發(fā)射電路
超聲波傳感器利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化。其發(fā)射電路原理圖如圖1所示。該發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器構成。單片機的P2．1端口輸出的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，可以提高驅動(dòng)能力。上位電阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動(dòng)能力；另一方面，還可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。