邵扣宗

（江蘇省靖江中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 靖江214500）

0 引言

超聲波作為一種檢測技術(shù)，采用的是非接觸式測量，此特點(diǎn)可使測量儀器不受被測介質(zhì)的影響[1-2]。這就大大解決了在粉塵多情況下，給人類引起的身體接觸傷害，腐蝕性質(zhì)的被測物對(duì)測量儀器腐蝕，觸點(diǎn)接觸不良造成的誤測情況。且對(duì)被測元件無磨損，使測量儀器牢固耐用，使用壽命加長，而且還降低了能量消耗，節(jié)省人力和勞動(dòng)的強(qiáng)度。無論從精度還是從可靠性方面，超聲波測距做得都比較好[3-4]。利用超聲波檢測即迅速，方便，計(jì)算簡單，又易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求,具有廣泛的發(fā)展前景。

這些年來，隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入，超聲波的應(yīng)用變得越來越普及。目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在機(jī)械制造、電子冶金、航海等工業(yè)領(lǐng)域。目前國內(nèi)專用超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測量精度[5-8]。

1 超聲波測距原理

本硬件設(shè)計(jì)采用超聲波往返時(shí)間檢測法，其原理為：檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，即往返時(shí)間。往返時(shí)間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。而所測距離是聲波傳輸距離的一半，即∶

在上式中，L為待測距離，v為超聲波的聲速，t為往返時(shí)間。由下式計(jì)算測量誤差;

式中，σL為測距誤差，v為聲速，σΔt為時(shí)間測量誤差，σv為聲速誤差。

2 超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

發(fā)射電壓從理論上來說是越高越好，因?yàn)閷?duì)同一只發(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲波功率就越大，這樣能夠在接受傳感器上接收的回波功率就比較大，對(duì)于接收電路的設(shè)計(jì)就相對(duì)簡單一點(diǎn)。但是，每一只實(shí)際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值，會(huì)對(duì)傳感器的內(nèi)部電路造成不可恢復(fù)的傷害。

發(fā)射部分的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由于障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對(duì)這樣小的信號(hào)進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度，最終達(dá)到對(duì)回波進(jìn)行放大檢測，產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)能夠識(shí)別的中斷信號(hào)作為回波到達(dá)的標(biāo)志。

圖1 超聲測距硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 發(fā)射部分

（1）發(fā)射波形

發(fā)射部分用單片機(jī)產(chǎn)生40kHz的方波，然后加以驅(qū)動(dòng)。波形經(jīng)過放大后發(fā)生輕微變化后送至發(fā)射傳感器發(fā)射出的信號(hào)，理論上是穩(wěn)定變化的，為使傳感器充分震蕩，發(fā)射脈寬不可以過小，一般來說我們選擇40kHz的方波信號(hào)，但是實(shí)際情況是我們可以得到頻率為39kHz到40kHz之間的信號(hào)。

（2）發(fā)射電壓

傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號(hào)損失及接收器的靈敏度。在發(fā)射端電源處極其容易產(chǎn)生干擾，可以選擇適當(dāng)大小的電容進(jìn)行濾波。設(shè)計(jì)的發(fā)射電路如圖2所示。

圖2 超聲波發(fā)射放大電路

2.2 接收部分

在傳感器接收的信號(hào)中，除了障礙物反射的回波外，總混有雜波和干擾脈沖等環(huán)境噪聲。環(huán)境噪聲主要集中在低頻段，遠(yuǎn)離回波信號(hào)頻率。因此系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要有接收機(jī)的內(nèi)部噪音決定，其功率譜寬度遠(yuǎn)大于接收機(jī)的通頻帶，而且內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有用信號(hào)頻率基本相同，只有輻值不同的信號(hào)，可以使用一些特殊的電路將其隔離。接收電路如圖3所示。

圖3 接收電路

2.3 檢測單元

接收信號(hào)放大到2V左右時(shí)，就可以進(jìn)行信號(hào)檢測，信號(hào)檢測的目的是確定接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，這是整個(gè)電路一個(gè)關(guān)鍵的地方。因?yàn)樗粌H決定系統(tǒng)的測量精度，還關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)是否能正常工作。

檢測電路設(shè)計(jì)的要求是保證每次接收信號(hào)都能被準(zhǔn)確的鑒別出來轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖去觸發(fā)單片機(jī)的外中斷引腳，通常采用某一固定電平或滑動(dòng)門限電平作為比較電平，以零電作為比較電平是行不通的。這樣一來，即使沒有接收信號(hào)，也會(huì)造成比較器反復(fù)觸發(fā)，從而無法判斷那個(gè)信號(hào)是真正的接收信號(hào)。若采用某一高于一般噪聲峰值的固定電平，這樣就可以消除一般噪聲的影響，而且比較電平固定，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路信號(hào)的準(zhǔn)確檢測。

2.4 顯示單元

顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要用到顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡單的顯示器可以使用LED發(fā)光二極管，給出一個(gè)簡單的開關(guān)量信息。

2.5 聲速校正

要想通過測量超聲波傳播時(shí)間確定距離，聲速C必須恒定。實(shí)際上，聲速隨著介質(zhì)、溫度、壓力等變化而變化。一般情況下，由于大氣壓力變化比較小，因此傳播速度主要考慮溫度的影響。通過溫度修正，即根據(jù)聲速與溫度的關(guān)系計(jì)算出測量時(shí)實(shí)際環(huán)境中的聲速，再根據(jù)測距公式得到距離?？諝庵新曀貱與溫度T的關(guān)系在常溫下可以用公式（3）表示。

2.6 干擾問題的解決方法

干擾主要是外界高頻噪音及電源等對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的干擾。由于這類干擾信號(hào)尤其是電源干擾信號(hào)和有用信號(hào)極其相似，因此不容易檢測出回波信號(hào)。針對(duì)這樣的干擾信號(hào)，可以通過選擇合適的元器件，加之濾波電路就可以消除干擾。

3 超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)控制

在系統(tǒng)軟件中，要完成接收控制信號(hào)、發(fā)射脈沖信號(hào)、峰值采集信號(hào)的時(shí)序及輸出信號(hào)處理后的顯示等。

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

為了得到發(fā)射信號(hào)與接收回波間的時(shí)間差，要讀出此刻計(jì)數(shù)器的數(shù)值，然后存儲(chǔ)在RAM中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要計(jì)數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。

3.3 信號(hào)處理

用超聲頻脈沖激勵(lì)超聲波探頭，使之向外界輻射超聲波，并接收從被測物體反射回來的超聲波(簡稱回波)，通過檢測或估計(jì)從發(fā)射超聲波至接收回波所經(jīng)歷的時(shí)間段t(稱為射程時(shí)間)，然后按下式計(jì)算超聲波探頭與被測物體之間的距離L，即

式中，C為空氣介質(zhì)中聲波的傳播速度。

由式（4）可知，當(dāng)傳播介質(zhì)的溫度發(fā)生變化時(shí)，聲的傳播速度。也隨之改變。因此，在超聲波測距儀中均內(nèi)置溫度探頭，用于實(shí)時(shí)檢測聲傳播介質(zhì)的溫度，以補(bǔ)償環(huán)境溫度變化對(duì)測距精度的影響。為了改善超聲波測距系統(tǒng)的性能，僅僅從系統(tǒng)的硬件入手是不夠的，還必須研究與硬件系統(tǒng)相適應(yīng)的測量信息處理方法。

在此超聲波測距儀的設(shè)計(jì)中，RAM中存儲(chǔ)的計(jì)數(shù)值不能作為距離值直接顯示輸出，因?yàn)橛?jì)數(shù)值與實(shí)際的距離值之間的轉(zhuǎn)換公式。

其中，t為發(fā)射信號(hào)到接收信號(hào)之間經(jīng)歷的時(shí)間，Tr為方波信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖時(shí)計(jì)數(shù)器的時(shí)間分辨率，N為計(jì)數(shù)器的值。

3.4 數(shù)據(jù)輸出與顯示

經(jīng)軟件處理得到距離傳送的四位LED顯示。

由于距離值的得到及顯示是中斷子程序中完成的，因此在初始化發(fā)射程序后進(jìn)入中斷響應(yīng)的等待，在中斷響應(yīng)的之后，原始數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)數(shù)值與距離值換算子程序，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換后顯示輸出。

整個(gè)系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、子程序、中斷服務(wù)程序幾個(gè)主要部分。

3.5 超聲波測距系統(tǒng)軟件流程圖

圖4 測距系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)論

基于時(shí)差測距原理設(shè)計(jì)了8051單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距系統(tǒng)，給出了原理框圖和硬件各部分的實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)方案中還存在著一些不足，例如環(huán)境溫度的變化將影響超聲波在媒質(zhì)中的傳播速度受溫度影響造成的誤差無法消除。

［1］卜英勇,王紀(jì)嬋,趙海鳴,等.基于單片機(jī)的高精度超聲波測距系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2007,3∶66-68

［2］馬大猷.現(xiàn)代聲學(xué)理論基礎(chǔ)[M].北京∶科學(xué)出版社,2004.

［3］曹建海,路長厚,韓旭東.基于單片機(jī)的超聲波液位測量系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2004(1)∶39-40.

［4］趙海鳴,卜英勇,王紀(jì)嬋.一種高精度超聲波測距系統(tǒng)的研制[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2006(3)∶62-65.