采用脉冲回波法的微电脑超声测距仪的原理及设计方案

１、引言
超声波是由机械振动产生的，可在不同介质中以不同的速度传播，具有定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点。超声波传感器可广泛应用于非接触式检测方法，它不受光线、被测物颜色等影响，对恶劣的工作环境具有一定的适应能力，因此在水文液位测量、车辆自动导航、物体识别等领域有着广泛的应用。本文着重介绍脉冲回波法的超声空气测距原理及系统构成。
２、工作原理
超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差δｔ，然后求出距离ｓ。在速度ｖ已知的情况下，距离ｓ的计算，公式如下：
ｓ＝ｖδｔ／２
在空气中，常温下超声波的传播速度是３３４米／秒，但其传播速度ｖ易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高１℃，声速增加约０．６米／秒。因此在测距精度要求很高的情况下，应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。已知现场环境温度ｔ时，超声波传播速度ｖ的计算公式如下：
ｖ＝３３１．５＋０．６０７ｔ
这样，只要测得超声波发射和接收回波的时间差δｔ以及现场环境温度ｔ，就可以精确计算出发射点到障碍物之间的距离。
微电脑超声测距仪的硬件结构框图如图１所示。该系统由ａｔ８９ｃ２０５１单片机、超声波发射电路、接收放大电路、环境温度采集电路及显示电路组成。ａｔ８９ｃ２０５１单片机是整个系统的核心部件，用来协调各部件的工作。先由单片机控制的振荡源产生４０ｋｈｚ的频率信号以驱动超声波传感器，它每次发射１０个脉冲。当第一个超声波脉冲发射后，计数器开始计数，在检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停止计数，这样就能够得到从发射到接收的时间差δｔ；同时温度采集电路也将现场环境温度数据采集到单片机中，以在计算距离时对超声波传播速度进行修正。根据所采集到的数据最终利用单片机计算出被测距离，并由显示器显示出来。
２．１单片机与各部分电路的接口
本系统以ａｔ８９ｃ２０５１单片机为核心来实现对各部分电路的控制和响应。在进行硬件设计时，ａｔ８９ｃ２０５１的串行口ｒｘｄ、ｔｘｄ分别与显示电路的ｒｘｄ和ｔｘｄ相连，构成串行静态显示电路；定时／记数器ｔ０与ｖ／ｆ转换器ｌｍ３３１的输出端相连，实现频率采集功能；ｐ１．７与ｃｍｏｓ多谐振荡器的控制端相连，可通过软件使ｐ１．７口输出高电平或低电平，从而控制超声波的发射；ｐ１．６通过一个开关二极管ｉｎ４１４８与比较器的基准电压产生电路控制端连接，发射超声波时置ｐ１．６为“１”；ｐ１．２口连接比较器ｌｍ３２４的输出端，这样，通过扫描ｐ１．２口就可以判断是否接收到回波。
２．２超声波发射及驱动电路
超声波发射及驱动电路如图２所示，由与非门ｃｄ４０１１组成的ｃｍｏｓ多谐振荡器产生４０ｋｈｚ的振荡源，为了控制振荡的产生或者停止，把第一个门ｕ１的一个输入端作为控制端ｃ，当ｃ＝“０”时，振荡停止；ｃ＝“１”时，产生振荡。将ｃ端与ａｔ８９ｃ２０５１单片机的ｐ１．７口连接后，就可通过微处理器来控制超声波的发射。需要注意的是，控制脉冲的频率（ｐ１．７口高、低电平的变化频率）必须远低于多谐振荡器的振荡频率。该电路的振荡周期可由以下公式得出：
ｔ＝２．２ｒｔｃｔ
由于超声波的传播距离与它的振幅成正比，为了使测距范围足够远，可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。本电路采用ｃｄ４０４９组成驱动电路可将振荡信号的幅度放大一倍，从而增加了超声波的传播距离，扩大了测距范围。
为防止绝缘电阻下降导致超声波传感器转换性能变坏，不能长时间的对传感器施加直流电压。因此在电路中串入一个耦合电容ｃ１，通过它可以将直流电压转换为等幅的交流电压，从而保证测距仪能够长时间可靠、稳定的工作。
２．３超声波接收及过零检测电路
超声波接收及过零检测电路原理图如图３所示。由于超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与传播距离成正比，所以超声波传感器接收信号一般在１ｍｖ～１ｖ之间。为了便于使用，接收电路要提供１００倍以上的放大增益。此外，接收传感器输出的是正弦波信号，这就需要设计交流放大电路。本系统选用两片ｏｐ０７组成两级放大电路，对接收到的超声波信号进行放大处理。信号经过放大以后，输入ｌｍ３２４的正端并与基准电压相比较，使ｌｍ３２４的输出端（与单片机的ｐ１．２口连接）输出高电平，单片机接收到回波后立即停止记时。
在单片机控制超声波发射（ｐ１．７置“１”）的同时，ｐ１．６输出一个高电平，给电容ｃ５充电，并经一串联分压网络将该电压输出到比较器的负端，这样可以有效抑制由于超声波发射器发射的超声波直接辐射到接收器而导致的比较器误反转，从而得到错误检测信号。发射结束后ｐ１．６口由高电平翻转为低电平，比较器的负端也为低电平，若ｌｍ３２４的输出端为高电平，则表明已接收到回波信号。
２．４温度采集及ｖ／ｆ转换电路
温度采样电路部分包括测温电桥、放大电路和ｖ／ｆ转换电路。其中ｖ／ｆ转换电路原理如图４所示。
测温电桥采用铂热电阻ｐｔ１００做为温度传感器。经取样电桥采样后，将温度信号转换成电压信号，再经放大后接入由ｌｍ３３１组成的ｖ／ｆ转换电路。该电路转换精度高，数字分辨率可达１２位。
由公式ｆ０＝ｖｉ／（ｒｌｉｒｔ）可知，电阻ｒｓ、ｒｌ、ｒｔ和电容ｃｔ直接影响转换结果ｆ０，因此对元件的精度要有一定的要求。电容ｃｌ对转换结果虽然没有直接的影响，但应选择漏电流小的电容器。电阻ｒ１和电容ｃ１组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。
３、软件设计
由于超声发射传感器与超声接收传感器相隔很近，当发射超声波时，接收传感器会收到很强的干扰信号。为防止系统的误测，在软件上采用延迟接收技术，来提高系统的抗干扰能力。一旦按下起始键，即发送发射超声波的指令，同时单片机控制系统开始执行程序，完成对温度的采样、滤波，然后获得发送、接收超声波的时间间隔，最后计算出距离值。本系统软件采用模块化设计，由主程序、测距子程序、测温子程序、显示子程序等主要模块组成。主程序框图如图５所示。
４、结束语
超声测距仪系统利用超声波传感器实现无接触式空气测距，并充分考虑到环境温度对超声波传递速度的影响，通过温度补偿的方法对传递速度予以校正，因此具有较高的测量精度。
本系统具有测量精度高，抗干扰能力强，反应速度快等特点，适用于水文液位测量、障碍物的识别以及车辆自动导航等领域，具有广阔的应用前景。