基于單片機的超聲波測距儀設計

摘要：介紹了一種基于單片機的超聲波測距儀的設計。詳細給出了超聲波測距儀的工作原理、超聲波發(fā)射電路和接收電路、測溫電路、顯示電路等硬件設計，以及相應的軟件設計。設計中采用升壓電路，提高了超聲換能器的輸出能力；采用紅外接收芯片，減少了電路間相互干擾，提高了靈敏度；同時(shí)，考慮了環(huán)境溫度對超聲波測距的影響，采用溫度傳感器，提高了測量精度。該設計試驗運行良好，系統結構簡(jiǎn)單、操作方便、價(jià)格低廉，具有廣闊的推廣前景。
關(guān)鍵詞：超聲波測距儀；超聲波換能器；單片機；溫度傳感器

0 引言
目前，常用的測距方法主要有毫米波測距、激光測距和超聲波測距三種。超聲波測距較前兩種測距方法而言，具有指向性強、能耗緩慢、受環(huán)境因素影響較小等特點(diǎn)，廣泛應用于如井深、液位、管道長(cháng)度、倒車(chē)等短距離測量。
本設計選用頻率為40 kHz左右的超聲波，它在空氣中傳播的效率最佳。在超聲測距方法上，本文選用渡越時(shí)間法，據文獻所提供的數據，渡越時(shí)間法簡(jiǎn)單，成本低，可應用的距離范圍較大，可測量的范圍為0．39～10．3 m。由于超聲波測距主要受溫度影響較大，所以本設計增加了溫度補償電路。本設計具有電路簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、工作穩定可靠、測距精確和能耗小、成本低等特點(diǎn)，可實(shí)現無(wú)接觸式測量，應用廣泛。

1 超聲波測距儀工作原理
1．1 超聲波測距原理
根據超聲波發(fā)射后返回的回波幅值、相位和超聲波發(fā)出到返回的時(shí)間差不同，有聲波幅值檢測法、相位檢測法和渡越時(shí)間法。本文采用渡越時(shí)間檢測法，其基本思想如圖1所示，發(fā)射器發(fā)射超聲波，經(jīng)過(guò)障礙物反射后被接收器接收，測量發(fā)射器和接收器發(fā)射和接收超聲波的時(shí)間差，利用式(1)即可測得障礙物與測試點(diǎn)之間的距離L：

式中：c為超聲波在空氣中的傳播速度；t為超聲波在空氣中傳播的時(shí)間。

同時(shí)，超聲波在空氣中的傳播速度c受環(huán)境溫度τ的影響較大，考慮了環(huán)境溫度對傳播速度的影響后，距離公式修正為：

1．2 超聲波換能器
超聲換能器是基于正(負)壓電效應制成的聲電傳感器，在超聲頻率范圍內將交變的電信號轉換成為聲信號(正壓電效應)，或者是將聲信號轉換成為電信號(負壓電效應)。
本文選用防水型收發(fā)一體式雙晶片壓電振動(dòng)式超聲換能器TCF40-25TR，其主要性能指標如下：
(1)中心頻率：(40±1)kHz；
(2)發(fā)射聲壓：在10 V(0 dB=0．02 mPa)時(shí)大于等于100dB；
(3)接收靈敏度：在40 kHz(0 dB=V／Pa)時(shí)大于等于-55 dB；
(4)靜電容量：在1 kHz，小于1 V(PF)時(shí)為2 000±20％；
(5)余振時(shí)間小于等于1．2 ms；
(6)波束角度特性如圖2所示。

1．3 超聲波測距的波速特性與超聲測距的盲區
超聲波從換能器發(fā)射后，在空間傳播是有指向性的，指向性最強的為主瓣，其余的為旁瓣，如圖3所示。超聲波的這種指向性的存在可以達到定向集中能量和減小干擾的目的。然而，旁瓣的出現還是造成了一定的干擾。如圖4所示，從障礙物返回的超聲波主瓣被接收器接收，同時(shí)，直接從超聲波探頭發(fā)出的旁瓣也可能被接收，造成旁瓣干擾。