鄭恩興，趙芷卿

（1.常州劉國(guó)鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213000；2.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037）

1 設(shè)計(jì)的方案

我們知道，由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因此超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也比較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到日常使用的要求。

超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波；另一類使用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。他們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測(cè)量方面較為常用的是壓電式超聲波換能器。

2 硬件總體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本例決定采用MSP430F123單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成。同時(shí)，由溫度傳感器DS18B20測(cè)得當(dāng)前的環(huán)境溫度，讀入單片機(jī)，然后經(jīng)其處理，在液晶顯示屏上顯示相應(yīng)的測(cè)量值以及當(dāng)前溫度。

（1）超聲波測(cè)距的基本原理。超聲波發(fā)生器在某一時(shí)刻發(fā)出超聲波信號(hào)，遇到被測(cè)物體后反射回來，被超聲波接收器接收到。只要計(jì)算出超聲波信號(hào)從發(fā)射到接收到回波信號(hào)的時(shí)間，知道在介質(zhì)中的傳播速度，就可以計(jì)算出距被測(cè)物體的距離：

其中d為被測(cè)物到測(cè)距儀之間的距離，s為超聲波往返通過的路程，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，t為超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間。為了提高精度，需要考慮不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關(guān)

式中，T為實(shí)際溫度（℃），v的單位為m/s。我們知道，由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因此超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也比較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到日常使用的要求。

（2）溫度測(cè)量模塊。DS18B20溫度補(bǔ)償電路是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，支持3V～5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點(diǎn)使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20使電壓、特性有更多的選擇，讓我們可以構(gòu)建適合自己的經(jīng)濟(jì)測(cè)溫系統(tǒng)。

（3）超聲波發(fā)射模塊。發(fā)射電路主要由反相器CD4049和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī)P2.0端口輸出的40kHz方波信號(hào)一路經(jīng)以及反向器送到超聲波換能器的一的點(diǎn)擊，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用CD4049可以提高驅(qū)動(dòng)能力。

（4）超聲波接收模塊。運(yùn)算放大器U4是高速運(yùn)算放大器TLV2771。這個(gè)放大器具有高增益帶寬并在40kHz時(shí)提供充分的高增益。運(yùn)算放大器連接成反相放大器構(gòu)造。R13、R16設(shè)置增益為55、C6提供高頻滾降。R10、R22偏置非反相輸入端，為運(yùn)算放大器的單輸入工作提供一個(gè)虛擬中間值。放大后的超聲波信號(hào)在這個(gè)虛擬中間值。上下波動(dòng)傳感器RX1的高Q值提供選擇性并丟棄除了40kHz之外的頻率。運(yùn)算放大器的輸出端連接到比較器A的輸入端CA0（即端口引腳P2.3）。比較器A的參考電平內(nèi)部選擇為0.5Vcc。當(dāng)接收到回聲時(shí)電壓高于參考電平從而觸發(fā)比較器A的輸出CAOUT。調(diào)整R10可以得到需要的靈敏度并優(yōu)化測(cè)量范圍。

（5）單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路。超聲波測(cè)距儀主要以單片機(jī)MSP430F123為核心。系統(tǒng)采用40kHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，并減小測(cè)量誤差。單片機(jī)有P2.0端口輸出超聲波換能所需的40kHz方波信號(hào)，利用輸入端CAO監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示其采用簡(jiǎn)單實(shí)用的3位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動(dòng)，位碼用三極管9013驅(qū)動(dòng)。

3 結(jié)語

該測(cè)距儀具有準(zhǔn)雙向測(cè)距功能，穩(wěn)定性比較高、靈敏度比較高，盲區(qū)范圍小，分辨率小于0.2m,被測(cè)目標(biāo)不需要垂直于超聲波測(cè)距儀角度保持在正負(fù)30°，被測(cè)目標(biāo)表面不需要平坦；但是在檢測(cè)過程中會(huì)有一些不便的地方：

（1）測(cè)量時(shí)在超聲波測(cè)距儀周圍沒有其他可反射超聲波的物體，由于發(fā)射功率有限，測(cè)距儀無法測(cè)量5m外的物體。

（2）因?yàn)閷?shí)現(xiàn)雙向測(cè)距所以電路的電流相對(duì)比較大。

（3）不能夠?qū)崿F(xiàn)不同溫度下的測(cè)距功能。

（4）因?yàn)槌暡ㄊ菍⒖諝庾鳛槊浇樗允茈姶鸥蓴_比較大。

[1]張謙琳.超聲波檢測(cè)原理和方法[M].北京：中國(guó)科技大學(xué)出版社，1993.

[2]周立功.RAM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教育[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2005.

[3]陳光東.單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)(第二版)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999.