超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

　　摘要：超聲波是一種頻率在20KHz以上的機(jī)械波，在空氣中的傳播速度約為340m/s（20°C時(shí)）。超聲波可由超聲波傳感器產(chǎn)生，常用的超聲波傳感器兩大類：一類是采用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。本文介紹了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，供讀者們參考。
　　
　　引言
　　
　　超聲波是一種頻率在20KHz以上的機(jī)械波，在空氣中的傳播速度約為340m/s（20°C時(shí)）。超聲波可由超聲波傳感器產(chǎn)生，常用的超聲波傳感器兩大類：一類是采用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。由于超聲波具有易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，對(duì)色彩、光照度不敏感，反射率高等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于無(wú)損探傷，距離測(cè)量、距離開(kāi)關(guān)、汽車倒車防撞、智能機(jī)器人等領(lǐng)域。
　　
　　1、系統(tǒng)原理框圖
　　
　　本設(shè)計(jì)的整體框圖如圖1所示，主要由超聲波發(fā)射，超聲波接收與信號(hào)轉(zhuǎn)換，按鍵顯示電路與溫度傳感器電路組成。超聲波測(cè)距是通過(guò)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T，然后求出距離S=CT/2，式中的C為超聲波波速。在常溫下，空氣中的聲速約為340m/s。由于超聲波也是一種聲波，其傳播速度C與溫度有關(guān)，在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。因本系統(tǒng)測(cè)距精度要求很高，所以通過(guò)對(duì)溫度的檢測(cè)對(duì)超聲波的傳播速度加以校正。超聲波傳播速度確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，如圖2所示，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距系統(tǒng)的基本原理。
　　
　　2、超聲波信號(hào)的發(fā)射與接收電路
　　
　　發(fā)射部分電路如圖3所示，主要由脈沖調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路，隔離電路以及驅(qū)動(dòng)電路組成，用來(lái)為超聲波傳感器提供發(fā)送信號(hào)。脈沖調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路中通過(guò)單片機(jī)對(duì)555定的復(fù)位（RESET）端的控制，使555定時(shí)器分時(shí)工作從而生產(chǎn)生脈沖頻率為40KHz，周期為30ms的脈沖調(diào)制信號(hào)，信號(hào)波形如圖2所示，本設(shè)計(jì)中一個(gè)周期內(nèi)發(fā)送10個(gè)脈沖信號(hào)。隔離電路主要是由兩個(gè)與非門組成，對(duì)輸出級(jí)與脈沖產(chǎn)生電路之間進(jìn)行隔離。輸出級(jí)由兩個(gè)通用型集成運(yùn)放TL084CN組成，由于超聲波傳感器的發(fā)射距離與其兩端所加的電壓成正比，因此要求電路要產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動(dòng)電壓，其基本原理就是一個(gè)比較電路，當(dāng)輸入信號(hào)Vi>2.5V時(shí)，運(yùn)放A的輸出電壓VA=+12V，運(yùn)放B的輸出電壓VB=-12V，當(dāng)輸入信號(hào)Vi<2.5V時(shí)，運(yùn)放A的輸出電壓VA="-12V"，運(yùn)放B的輸出電壓VB=+12V，所以在超聲傳感器兩端得到兩個(gè)極性*相反的對(duì)稱波形，即VB=-VA，所以加在超聲波傳感器兩端的電壓V=VA-VB=2VA，其兩端的電壓可達(dá)到24V，從而保證超聲波能夠發(fā)送較遠(yuǎn)的距離，提高了測(cè)量量程。　　
　　接收部分的電路由放大電路，帶通濾波電路以及信號(hào)變換電路組成。放大電路和帶通濾波電路如圖4所示。由于超聲波信號(hào)在空氣中傳播時(shí)受到很大程度的衰減，所以反射回的超聲波信號(hào)非常的微弱，不能直接送到后級(jí)電路進(jìn)行處理，必須將信號(hào)放大到足夠的幅度，才能使后級(jí)電路對(duì)它進(jìn)行正確的處理。前置放大電路是由集成運(yùn)放組成的自舉式同相交流放大電路，具有很高的輸入阻抗，C5，C6，C7為隔直電容，R5，R6，R7為偏置電阻，用來(lái)設(shè)置放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。帶通濾波器采用二階RC有源濾波器，用于消除超聲波傳播過(guò)程中受到的干擾信號(hào)的影響。該電路為二階壓控電壓源帶通濾波電路，圖中RW，C10組成低通濾波網(wǎng)絡(luò)，C9和R12組成高通濾波網(wǎng)絡(luò)，兩者串聯(lián)組成了帶通濾波電路。集成運(yùn)放和電阻R9，RlO一起組成同相比例放大器，為了使電路能夠穩(wěn)定工作，必須保證同相比例放大器的增益AV<3，帶通濾波器的中心頻率ω0=40kHz，電路參數(shù)可通過(guò)AV=1+R9/R10和ω0=1/R12C2（1/RW+1/R13）確定。經(jīng)過(guò)帶通濾波后的信號(hào)經(jīng)儀表放大器AD620進(jìn)行放大，然后送到信號(hào)變換電路，信號(hào)變換電路主要將接收到的包絡(luò)信號(hào)變換成單片機(jī)的中斷觸發(fā)信號(hào)。由包絡(luò)檢波電路，電壓比較器和RS觸發(fā)器組成。包絡(luò)檢波電路由二極管D3，電阻R19，和電容C13組成。經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波得到的信號(hào)如圖6中的V2所示。電壓比較器由集成運(yùn)放和電容電阻組成，為了消除發(fā)送探頭的干擾信號(hào)，我們將單片機(jī)P1.2輸出的信號(hào)加到電壓比較器的同相端，它的波形是250μs的高電平，和29750μs低電平的方波，通過(guò)二極管D3將P1.2和比較器的正向端隔離。當(dāng)P1.2輸出高電平時(shí)，通過(guò)二極管對(duì)電容C14充電，由于二極管是正向?qū)ǖ模猿潆姾芸欤?dāng)P1.2輸出為低電平時(shí)，二極管反向截止，電容通過(guò)電阻RW和R21放電，由于總電阻比較大，所以放電很緩慢，波形如圖6中V3所示，從圖中可看出，在沒(méi)有收到返回信號(hào)時(shí)，比較器輸出高電平，如果收到返回信號(hào)，比較器便輸出低電平，輸出波形如圖6中Vo所示，通過(guò)這種方法就可以消除發(fā)射探頭對(duì)反射回的信號(hào)的干擾。　　
　　電壓比較器的輸出信號(hào)送到基本RS觸發(fā)器用于產(chǎn)生單片機(jī)所需的中斷信號(hào)。基本RS觸發(fā)器由與非門組成，同時(shí)由單片機(jī)進(jìn)行控制，如圖6所示。在發(fā)送端發(fā)送超聲波信號(hào)時(shí)，P1.2輸出高電平，經(jīng)過(guò)反相器后，變?yōu)榈碗娖郊拥接|發(fā)器的R端，因?yàn)闆](méi)收到反射信號(hào)之前，電壓比較器輸出為高電平，所以基本RS觸發(fā)器的輸入分別為，R=O，S=l，為0態(tài)，即Q=0，Q=1，Q的信號(hào)加到單片機(jī)的中斷輸入端，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的中斷為下降沿觸發(fā)，輸入為高電平，不產(chǎn)生中斷。當(dāng)發(fā)送完畢時(shí)，P1.2輸出低電平，經(jīng)反相器，變?yōu)楦唠娖剿偷接|發(fā)器的R端，沒(méi)有收到反射回的信號(hào)時(shí)，電壓比較器輸出仍為高電平，所以基本RS觸發(fā)器的R="1"，S=1，為保持狀態(tài)，即Q=1，Q=0，也不產(chǎn)生中斷。當(dāng)接收到反射回的信號(hào)時(shí)，電壓比較器輸出低電平，因此，基本RS觸發(fā)器的輸入端R="1"，S=0，觸發(fā)器工作在0態(tài)，即Q=O，Q=1。單片機(jī)的中斷輸入端的電平由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑥亩箚纹瑱C(jī)產(chǎn)生中斷。
　　
　　3、單片機(jī)外圍電路原理圖
　　
　　單片機(jī)的外圍電路圖如圖7所示，顯示電路由單片機(jī)控制七段數(shù)碼管進(jìn)行顯示，采用數(shù)字溫度傳感器DS18820對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)，從而對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高測(cè)量精度。兩個(gè)按鍵用于控制測(cè)量的開(kāi)始與停止以及距離與溫度顯示的切換。　　
　　4、軟件設(shè)計(jì)
　　
　　軟件設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分，主程序，定時(shí)中斷程序和外部中斷程序，流程圖如圖7所示。　　
　　5、結(jié)論
　　
　　本系統(tǒng)由于發(fā)射功率和超聲波發(fā)射探頭的原因，測(cè)量距離在10cm到500cm之間，在近距離測(cè)量和遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)存在誤差較大，在50cm和200cm之間測(cè)量時(shí)精度，誤差不大于1cm。在本設(shè)計(jì)中由于超聲波發(fā)射周期為10個(gè)25μs的方波，因此發(fā)射時(shí)間為T=250μs，已知常溫下聲速C為340m/s，可知S=CT/2=250μs/2=8.5cm，因此確認(rèn)測(cè)距盲區(qū)為9cm。即當(dāng)測(cè)量距離小于9cm時(shí)不能正確測(cè)量。