基于单片机的超声波测距系统的研究与设计

在日常生产生活中，很多场合如汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量等需要自动进行非接触测距。超声波是指频率大于20 kHz的在弹性介质中产生的机械震荡波，其具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离相对较远等特点，因此常被用于非接触测距。由于超声波对光线、色彩和电磁场不敏感，因此超声波测距对环境有较好的适应能力，此外超声波测量在实时、精度、价格也能得到很好的折衷。
为此，文中尝试以单片机AT89S52为核心，利用一对40 kHz压电超声传感器设计一款体积较小、价格低廉、精度较高、具有温度补偿、实时LCD显示和报警的超声波测距仪。

1 超声波测距原理
超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。
超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。
假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t／s，超声波传播速度为v／m・s－1表示，则有关系式(1)
s=vt／2 (1)
在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式(2)对超声波传播速度加以修正，以减小误差。
v=331．4+0．607T (2)
式中，T为实际温度单位为℃，v为超声波在介质中的传播速度单位为m／s。

2 系统总体设计方案
本系统由超声波发射、回波信号接收、温度测量、显示和报警、电源等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。系统原理框图，如图1所示。

整个系统由单片机AT89S52控制，超声波传感器采用收发分体式，分别是一支超声波发射换能器TCT40－16T和一支超声波接收换能器TCT40－16R。超声波信号通过超声波发射换能器发射至空气中，遇被测物反射后回波被超声波接收换能器接收。进行相关处理后，输入单片机的INT0脚产生中断，计算中间经历的时间，同时再根据具体的温度计算相应的声速，根据式(2)就可得出相应的距离用来显示，当然在一些场合也可根据需要，设置距离报警值。

3 硬件设计
3．1 超声波发射部分
超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT40－16T能向外界发出40 kHz左右的方波脉冲信号。40 kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机P1.0端口输出40 kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40 kHz方波脉冲信号分成两路，送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器TCT40－16T以声波形式发射到空气中。发射部分的电路，如图2所示。图中输出端上拉电阻R31，R32，一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

3．2 超声波接收部分
上述TCT40－16T发射的在空气中传播，遇到障碍物就会返回，超声波接收部分是为了将反射波(回波)顺利接收到超声波接收换能器TCT40－16R进行转换变成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后，这里用索尼公司生产的集成芯片CX20106，得到一个负脉冲送给单片机的P3.2(INT0)引脚，以产生一个中断。接收部分的电路，如图3所示。

可以看到，集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0五可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为30～60 kHz。故本次设计用它来做接收电路。CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。工作过程如下：接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到．AT89S52的INT0引脚上，以触发中断。若频率有一些误差，可调节芯片引脚5的外接电阻R42，将滤波器的中心频率设置在40 kHz，就可达到理想的效果。