時(shí)差法超聲測(cè)距儀的研制

1、時(shí)差法超聲測(cè)距儀的研制        摘要：微電腦超聲測(cè)距儀由AT89C2051單片機(jī)、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(cè)距儀具有集成度高、反應(yīng)速度快，測(cè)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(cè)距原理及其系統(tǒng)構(gòu)成。    關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；超聲波；測(cè)距引言超聲波是由機(jī)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、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。超聲波傳感器可廣泛應(yīng)用于非接觸式檢測(cè)方法，它不受光線、被測(cè)物

2、顏色等影響，對(duì)惡劣的工作環(huán)境具有一定的適應(yīng)能力，因此在水文液位測(cè)量、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文著重介紹脈沖回波法的超聲空氣測(cè)距原理及系統(tǒng)構(gòu)成。圖1工作原理超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差，然后求出距離。在速度已知的情況下，距離的計(jì)算，公式如下：在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是米秒，但其傳播速度易受空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如溫度每升高，聲速增加約米秒。因此在測(cè)距精度要求很高的情況下，應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度加以校正。已知現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度時(shí)，超聲波傳播速度的計(jì)算公式如下：這樣，只要

3、測(cè)得超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度，就可以精確計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物之間的距離。圖2    微電腦超聲測(cè)距儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。該系統(tǒng)由單片機(jī)、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。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，用來協(xié)調(diào)各部件的工作。先由單片機(jī)控制的振蕩源產(chǎn)生的頻率信號(hào)以驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器，它每次發(fā)射個(gè)脈沖。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)超聲波脈沖發(fā)射后，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，在檢測(cè)到第一個(gè)回波脈沖的瞬間，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這樣就能夠得到從發(fā)射到接收的時(shí)間差；同時(shí)溫度采集電路也將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集到單片機(jī)中，以在計(jì)算距離時(shí)對(duì)超聲波傳播速度進(jìn)行修正。根據(jù)所采

4、集到的數(shù)據(jù)最終利用單片機(jī)計(jì)算出被測(cè)距離，并由顯示器顯示出來。 單片機(jī)與各部分電路的接口本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心來實(shí)現(xiàn)對(duì)各部分電路的控制和響應(yīng)。在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，的串行口、分別與顯示電路的和相連，構(gòu)成串行靜態(tài)顯示電路；定時(shí)記數(shù)器與轉(zhuǎn)換器的輸出端相連，實(shí)現(xiàn)頻率采集功能；與多諧振蕩器的控制端相連，可通過軟件使口輸出高電平或低電平，從而控制超聲波的發(fā)射；通過一個(gè)開關(guān)二極管與比較器的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路控制端連接，發(fā)射超聲波時(shí)置 為“”；口連接比較器的輸出端，這樣，通過掃描口就可以判斷是否接收到回波。 超聲波發(fā)射及驅(qū)動(dòng)電路超聲波發(fā)射及驅(qū)動(dòng)電路如圖所示，由與非門組成的多諧振蕩器產(chǎn)生的振蕩源，為了控制振蕩的產(chǎn)生或者

5、停止，把第一個(gè)門的一個(gè)輸入端作為控制端，當(dāng)“”時(shí)，振蕩停止；“”時(shí)，產(chǎn)生振蕩。將端與單片機(jī)的口連接后，就可通過微處理器來控制超聲波的發(fā)射。需要注意的是，控制脈沖的頻率（口高、低電平的變化頻率）必須遠(yuǎn)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：由于超聲波的傳播距離與它的振幅成正比，為了使測(cè)距范圍足夠遠(yuǎn)，可對(duì)振蕩信號(hào)進(jìn)行功率放大后再加在超聲波傳感器上。本電路采用組成驅(qū)動(dòng)電路可將振蕩信號(hào)的幅度放大一倍，從而增加了超聲波的傳播距離，擴(kuò)大了測(cè)距范圍。圖3    為防止絕緣電阻下降導(dǎo)致超聲波傳感器轉(zhuǎn)換性能變壞，不能長(zhǎng)時(shí)間的對(duì)傳感器施加直流電壓。因此在電路中串入

6、一個(gè)耦合電容，通過它可以將直流電壓轉(zhuǎn)換為等幅的交流電壓，從而保證測(cè)距儀能夠長(zhǎng)時(shí)間可靠、穩(wěn)定的工作。 超聲波接收及過零檢測(cè)電路超聲波接收及過零檢測(cè)電路原理圖如圖所示。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(hào)一般在之間。為了便于使用，接收電路要提供倍以上的放大增益。此外，接收傳感器輸出的是正弦波信號(hào)，這就需要設(shè)計(jì)交流放大電路。本系統(tǒng)選用兩片組成兩級(jí)放大電路，對(duì)接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行放大處理。信號(hào)經(jīng)過放大以后，輸入的正端并與基準(zhǔn)電壓相比較，使的輸出端（與單片機(jī)的口連接）輸出高電平，單片機(jī)接收到回波后立即停止記時(shí)。在單片機(jī)控制超聲波發(fā)射（置“”）的同時(shí)，輸出

7、一個(gè)高電平，給電容充電，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(fù)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(dǎo)致的比較器誤反轉(zhuǎn)，從而得到錯(cuò)誤檢測(cè)信號(hào)。發(fā)射結(jié)束后口由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，比較器的負(fù)端也為低電平，若的輸出端為高電平，則表明已接收到回波信號(hào)。 溫度采集及轉(zhuǎn)換電路溫度采樣電路部分包括測(cè)溫電橋、放大電路和轉(zhuǎn)換電路。其中轉(zhuǎn)換電路原理如圖所示。測(cè)溫電橋采用鉑熱電阻做為溫度傳感器。經(jīng)取樣電橋采樣后，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)放大后接入由組成的轉(zhuǎn)換電路。該電路轉(zhuǎn)換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)位。由公式（） 可知，電阻、和電容直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果，因此對(duì)元件的精度要有一定的要求。

8、電容對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果雖然沒有直接的影響，但應(yīng)選擇漏電流小的電容器。電阻和電容組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉(zhuǎn)換精度。軟件設(shè)計(jì)由于超聲發(fā)射傳感器與超聲接收傳感器相隔很近，當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，接收傳感器會(huì)收到很強(qiáng)的干擾信號(hào)。為防止系統(tǒng)的誤測(cè)，在軟件上采用延遲接收技術(shù)，來提高系統(tǒng)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(jī)控制系統(tǒng)開始執(zhí)行程序，完成對(duì)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(jì)算出距離值。本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、測(cè)距子程序、測(cè)溫子程序、顯示子程序等主要模塊組成。主程序框圖如圖所示。 結(jié)束語超聲測(cè)距儀系統(tǒng)利用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)無