李航，王可人

(解放軍電子工程學院 304實驗室，安徽 合肥 230037)

0 引言

超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而經(jīng)常被用于距離的測量。超聲波測距是一種非接觸式的檢測方式。與其他方法相比，如電磁或光學的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應能力。因此在液位測量、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面有廣泛應用。特別是應用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準確度液較其他方法為高。而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠等特點，檢測比較迅速、方便，計算簡單，易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。

1 超聲波測距及系統(tǒng)工作原理

1.1 超聲波測距原理

超聲波是高于聽覺頻率閾值的機械波，其頻率在104Hz～1012Hz之間。超聲波具有直線傳播特性，頻率越高，反射能力越強，而繞射能力越弱，表現(xiàn)出更強的方向性。利用超聲波的這種特性，采用時間差值檢測法（常稱渡越時間檢測法）進行距離的測量。其測距原理是超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時。超聲波在空氣中傳播，碰到障礙物反射回來，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計時，根據(jù)計時器記錄的時間，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離。系統(tǒng)根據(jù)時間延遲計算出距離，計算公式為：

聲波在空氣中傳輸速率的近似表達式為：

式中：T表示介質(zhì)的溫度（℃）；S表示探測距離；V表示超聲波的傳播速度，其值受到溫度和介質(zhì)的影響；t表示從發(fā)送超聲波到反射回波的時間間隔。

1.2 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)的核心部件為超聲波傳感器和STC89C52RC單片機。系統(tǒng)采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時間頻率，減少測量誤差。STC89C52RC用P1.0端口發(fā)出一個40kHz的方波信號驅(qū)動超聲波發(fā)射器發(fā)射出一串超聲波脈沖，同時啟動單片機計時器計時測量超聲波傳播的時間。當脈沖到達被測目標時，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。當接收到信號時，外部中斷發(fā)出指令讓計數(shù)器停止計數(shù)，這樣就能夠得到發(fā)射到接收的時間差△t。同時溫度補償電路也將采集到的現(xiàn)場環(huán)境溫度送到單片機，提供計算距離時對超聲波傳播速度的修正。最終單片機利用公式（1）、（2）計算出被測距離，并在LED上顯示出結(jié)果。

2 硬件設計

硬件主要包括STC89C52RC單片機最小系統(tǒng)，超聲波發(fā)射電路和接收電路、溫度檢測電路、鍵盤電路和LED顯示電路等部分。超聲波測距系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.1 單片機最小系統(tǒng)設計

主控制器主要由單片機STC89C52RC、振蕩器和復位電路3部分組成，它是單片機工作的必要組成部分，又稱為單片機最小系統(tǒng)。它是測距系統(tǒng)的控制中樞，也是整個系統(tǒng)的核心部分。在測距系統(tǒng)中發(fā)揮4個作用：（1）實現(xiàn)人機對話；（2）控制超聲波的發(fā)射；（3）處理超聲波接收電路和補償電路接收的信號;（4）時間轉(zhuǎn)化成距離的數(shù)據(jù)處理。

2.2 超聲波發(fā)射電路

發(fā)射電路由2個三極管、環(huán)形磁芯變壓器、發(fā)射超聲換能器組成，如圖2所示。本系統(tǒng)的超聲波傳感器采用UCM40壓電陶瓷傳感器。P1.0端口產(chǎn)生40kHz的方波信號，接入發(fā)射電路的輸入端。由于單片機端口產(chǎn)生的方波信號太弱，需放大該信號，同時利用射極跟隨電路，以增強帶負載能力。超聲波傳感器在放大信號的驅(qū)動下，發(fā)射超聲波脈沖。

圖2 超聲波發(fā)射電路原理圖

2.3 超聲波接收電路

超聲波接收電路通過超聲波傳感器接收回波信號并將其放大，之后將放大的信號整形為數(shù)字信號，作為中斷信號送入STC89C52RC外中斷器，使其產(chǎn)生中斷。因此，該電路可分為放大部分和整形部分。具體電路如圖3所示。3個LM324運算放大器組成三級回波信號放大電路，放大后的信號再經(jīng)一個4011反相整形后，送給單片機外部中斷P3.3端口。

圖3 超聲波接收電路原理圖

2.4 溫度檢測電路

溫度檢測電路用來實時測量周圍環(huán)境的溫度，補償傳播速度變化對傳播距離的影響。本系統(tǒng)采用溫度傳感器DS18B20作為檢測元件，測溫范圍－55℃～+125℃，固有測溫分辨率最大可達0.0625℃。DS18B20可以直接讀出被測溫度值，而且采用3線制與單片機相連，減少了外部硬件電路，

2.5 鍵盤和顯示接口電路

本系統(tǒng)采用ZLG7290鍵盤及數(shù)碼管專用驅(qū)動芯片。ZLG7290與單片機STC89C52RC采用I2C接口進行通信。ZLG7290可以驅(qū)動8位共陰數(shù)碼管或者64個獨立的LED以及64個按鍵。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件分為2部分：主程序和中斷服務程序，流程圖如圖5所示。主程序完成初始化、超聲波發(fā)射、接收控制和顯示等工作。中斷服務程序包括定時中斷服務子程序和外部中斷服務子程序，分別完成超聲波的發(fā)射、距離計算及溫度補償?shù)裙ぷ鳌?/p>

圖5 程序流程圖

4 測量數(shù)據(jù)

一般情況下，應測量幾次數(shù)據(jù)取其平均值，目的是為減少由于測量過程中的系統(tǒng)抖動引起的誤差。表1的數(shù)據(jù)都是在測距系統(tǒng)固定的情況下測量的。由于本設計沒有考慮其他環(huán)境因素（如：氣壓、濕度……）的影響，只考慮了溫度補償?shù)挠绊?，所以在測量的時候給測量結(jié)果帶來了一定的誤差。由表1可見測量精度達到設計要求。

表1 測量數(shù)據(jù)（單位：mm）

5 結(jié)論

該系統(tǒng)由鍵盤控制，通過選擇不同的按鍵來選擇不同的功能。利用對超聲波渡越時間的測量來實現(xiàn)距離的測量。因此，距離測量的精度就轉(zhuǎn)化為時間測量的精度了。系統(tǒng)對該系統(tǒng)測量誤差進行了分析，采用溫度補償?shù)姆椒?，使其測量更精確。選用了UCM40T/R壓電陶瓷傳感器，設計并制作完成了超聲波測距系統(tǒng)的硬件部分，編寫了相應的運行軟件，進行了調(diào)試和試運行，結(jié)果還是令人滿意的。

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