基于單片機高精度工程超聲波測距系統研究

　　人耳最高只能感覺(jué)到大約20000 Hz的聲波，頻率更高的聲波就是超聲波了。超聲波廣泛地應用在多種技術(shù)中。超聲波有兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是能量大，一個(gè)是沿直線(xiàn)傳播。它的應用就是按照這兩個(gè)特點(diǎn)展開(kāi)的。理論研究表明，在振幅相同的情況下，一個(gè)物體振動(dòng)的能量跟振動(dòng)頻率的二次方成正比。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高，因而能量很大。在我國北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動(dòng)會(huì )使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內，就可以增加室內空氣濕度。這就是超聲波加濕器的原理。對于咽喉炎、氣管炎等疾病，藥力很難達到患病的部位，利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠增進(jìn)療效。利用超聲波的巨大能量還可以把人體內的結石擊碎。金屬零件、玻璃和陶瓷制品的除垢是件麻煩事，如果在放有這些物品的清洗液中通入超聲波，清洗液的劇烈振動(dòng)沖擊物品上的污垢，能夠很快清洗干凈。我們在墻的一側說(shuō)話(huà)，另一側的人也能聽(tīng)到，這說(shuō)明聲波能夠繞過(guò)障礙物，如圖6所示。但是，波長(cháng)越短，這種繞射現象越不明顯。因此，超聲波基本上是沿直線(xiàn)傳播的，可以定向發(fā)射。如果漁船載有水下超聲波發(fā)生器，它旋轉著(zhù)向各個(gè)方向發(fā)射超聲波，超聲波遇到魚(yú)群會(huì )反射回來(lái)，漁船探測到反射波就知道魚(yú)群的位置了。這種儀器叫做聲納，聲納也可以用來(lái)探測水中的暗礁、敵人的潛艇，測量海水的深度。

　　超聲波測距的基本原理

　　超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據計時(shí)器記錄的時(shí)間t,就可以計算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離（s），即：s=340t/2 .這就是所謂的時(shí)間差測距法。

　　超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據發(fā)射和接收的時(shí)間差計算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見(jiàn)，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。

　　測距的公式表示為：L=C×T

　　式中L為測量的距離長(cháng)度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時(shí)間差（T為發(fā)射到接收時(shí)間數值的一半）。超聲波測距主要應用于倒車(chē)提醒、建筑工地、工業(yè)現場(chǎng)等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數量級。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內的超聲波測距專(zhuān)用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過(guò)分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時(shí)間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補償后，我們設計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。

　　壓電式超聲波傳感器的原理

　　目前，超聲波傳感器大致可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生的超聲波，一類(lèi)是用機械方式產(chǎn)生的超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。在工程中，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。

　　壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內部結構如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì )發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機械能轉換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。

　　反射式超聲波測距儀的硬件電路設計

　　本系統硬件電路由單片機最小系統、溫度補償電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路構成，如圖1所示。

　　本超聲波測距儀的具體工作過(guò)程如下，在單片機產(chǎn)生復位信號后，由MC9S12DG128B產(chǎn)生一個(gè)控制信號，控制外圍電路產(chǎn)生40kHz的超聲波，經(jīng)整形放大后加到超聲波換能器發(fā)射出頻率為40kHz的超聲波。同時(shí)，計數MC9S12DG128B內部的定時(shí)器，測量超聲波信號從發(fā)出到接收所花的時(shí)間，并把經(jīng)超聲波換能器R接收到的超聲波信號放大、濾波、整形，并作為接收信號來(lái)啟動(dòng)定時(shí)器的輸入捕捉功能，完成一次超聲波測距的時(shí)間操作。同時(shí)，由溫度傳感器DS18B20測得當前的環(huán)境溫度，讀入單片機，然后經(jīng)其處理，在液晶顯示屏上顯示相應的測量值以及當前溫度。

　　微控制器MC9S12DG128B

　　MC9S12DG128B是飛思卡爾公司推出的S12控制器中的一款16位微控制器。其集成度高，片內資源豐富，接口模塊包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等，在FLASH存儲控制及加密方面有較強的功能。

　　MC9S12DG128B微控制器采用增強型16位S12 CPU，片內總線(xiàn)時(shí)鐘頻率最高可達25MHz；片內資源包括8kB RAM、128kB FLASH、2kB EEPROM、SCI、SPI及PWM串行接口模塊；PWM模塊可設置成4路8位或2路16位，可寬范圍選擇時(shí)鐘頻率；它還提供2個(gè)8路10位精度A/D轉換器、控制器局域網(wǎng)CAN和增強型捕捉定時(shí)器，并支持背景調試模式（BDM）。