摘 ? ?要： 文章在闡述了超聲波特性及超聲波測距原理之后，設(shè)計了以單片機為核心的超聲波測距裝置的總體方案，詳細介紹了超聲波發(fā)送、接收處理電路，旨在通過分析超聲波的溫度補償、回波補償、串擾、余震等對測距裝置的影響，歸納總結(jié)抗干擾的方法，提出抑制干擾的硬件解決方案。

關(guān)鍵詞： 超聲波 ? ?距離測量 ? ?干擾抑制 ? ?單片機

1.引言

超聲波屬于機械振動波，其頻率大于20kHz，它波長短，能量密度集中，方向性好，在介質(zhì)中只有很小的衰減，穿透能力強，鋼板、墻體內(nèi)均可傳播，速度快。但是超聲波在空氣中傳播速度與音速不相上下，常溫下為340m/s。因此，可通過測量超聲波傳播的時間，測量距離、厚度等[1]。

超聲波測距是一種非接觸式的距離測量方法，其測量精度除了受溫度影響較大之外，還存在超聲波回波串擾、余震等現(xiàn)象。這些干擾因素不僅會造成較大的測量誤差，而且會影響到測量的正常進行。因此，必須采取一些抗干擾措施，降低測量誤差。

2.超聲測距原理

常用的測距方法分為脈沖回波法和相位差法。相位差法的測量存在多個不確定性，而解決方式較復雜，本文不作論述。而脈沖回波法[2]的工作原理是：用超聲波發(fā)射器向外發(fā)射超聲波，同時接收從被測物體反射回來的回波，檢測從發(fā)射超聲波至接收回波所花的時間ToF（Time of Flight），按式（1）計算超聲波發(fā)射器與被測物體之間的距離d，即：

d=■c×ToF ? ?（1）

其中，c為空氣介質(zhì)中聲波的傳播速度。

3.超聲測距裝置的總體設(shè)計

能夠產(chǎn)生超聲波和接收到超聲波是超聲波測距的前提，而能夠完成此功能的器件是超聲波傳感器，也叫做超聲波發(fā)射器或探頭。超聲波傳感器有收發(fā)一體化的，也有發(fā)送器和接收器分開的。超聲波傳感器是利用壓電效應或磁致伸縮效應原理工作的，它在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換成超聲波（機械波）發(fā)射出去，而在收到回波時將超聲波轉(zhuǎn)換成電信號進行處理。

超聲波測距裝置總體設(shè)計框圖如圖1，由發(fā)射電路、接收電路、濾波放大電路、單片機最小系統(tǒng)、顯示電路等組成。發(fā)射探頭發(fā)射頻率為40kHz超聲波脈沖，同時啟動單片機計時（使用定時器）。超聲波在空氣中傳播，當經(jīng)到達被測物時，其反射波被接收探頭接收，經(jīng)檢測電路得到有效回波。這時，單片機引腳INT0檢測到電路的外部中斷而停止計時，此時計時器所計時間即是超聲波傳播的時間ToF。

圖1 ? ?總體設(shè)計框圖

4.超聲波產(chǎn)生和發(fā)射

超聲波發(fā)射電路如圖2所示，它是由555時基電路構(gòu)成的多諧振蕩器電路形式，可產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖信號。此設(shè)計的優(yōu)勢是避免由單片機來發(fā)生脈沖信號，可節(jié)省單片機的系統(tǒng)資源。發(fā)射電路受單片機引腳的控制，當該引腳輸出為高電平時，振蕩器開始產(chǎn)生頻率為40kHz的方波脈沖。超聲波探頭在周期性方波信號的激勵下，持續(xù)不斷地發(fā)射超聲波[3]。

圖2 ? ?超聲波發(fā)射電路

本裝置采用間斷多脈沖發(fā)射，每次發(fā)射若干個脈沖，系統(tǒng)檢測到第一個被反射回來的脈沖波，即可計算被測距離。

5.超聲波接收和處理

5.1回波的接收和放大

超聲波探頭接收的回波電壓幅值小且?guī)в须s波信號，因此必須進行濾波、放大后供單片機檢測。超聲波發(fā)射時是固定頻率40kHz的，在選頻電路中只允許40kHz信號通過并放大，送至單片機進行傳播時間計算和相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示。

圖3 ? ?超聲波接收和處理的一般電路

5.2時間增益補償電路

如圖4所示，超聲波的信號衰減程度由傳播距離的遠近及聲程決定，其原因如下式：

I=I■e■ ? ?（2）

其中α為空氣衰減系數(shù)，I■為最初聲強，I為衰減后的聲強。

衰減嚴重的信號將有可能接收不到而導致測量誤差。鑒于此，我們采用比較器電路，將圖4中鐘形形狀的回波脈沖與固定的基準電壓進行比較，將回波進行整形補償，結(jié)果亦在圖4中。

由此進行的幅度補償稱為時間增益補償（Time Gain Compensation， TDC）[4]，如圖4所示為補償前后的波形對比。

圖4 ? ?時間增益補償

5.3回波串擾問題的解決

超聲波測距裝置中，發(fā)射探頭和接收探頭挨得非常近，有部分超聲波直接就從發(fā)射探頭進入接收探頭，并不是從被測物體上反射的真實信號，這種情況稱為串擾，會給測量帶來很大的誤差[5]。

一般來說，串擾信號的幅值比真實的回波信號幅值要大一些，原因是這部分信號幾乎沒有衰減。因此，可以設(shè)計一個閾值電路[6]，如圖5所示，進行單限電壓比較，這樣就可以達到去除串擾信號除的目的。

圖5 ? ?去串擾超聲波接收電路框圖

5.4余震問題的解決

在測距的過程中，超聲波的發(fā)射是每發(fā)出若干個脈沖之后停發(fā)一次，接著繼續(xù)發(fā)射，如此循環(huán)往復。但是任何振動的物體在振動力撤除之后并不是立即就停止振動，古代有“余音繚繞，繞梁三日“即是形容此種現(xiàn)象。超聲波測量時脈沖是間歇式發(fā)送的，超聲波探頭也會在某個瞬間停止發(fā)射。這時超聲波探頭由于機械慣性的作用，仍然會振動而發(fā)出超聲波，此種情況被稱為余震。如同串擾問題一樣，有一部分超聲波信號直接從發(fā)射探頭來到接收探頭從而影響測量精度。因此，如圖6所示，在裝置中通過增加單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路進行延時以“躲過”余震信號，使其不被有效接收，從而消除余震的干擾。

圖6 ? ?去余震干擾超聲波接收電路框圖

5.5溫度補償

空氣的溫度并非是恒定的。超聲波在空氣中傳播時，傳播速度會受到影響，進而影響到超聲波測距裝置。超聲波在空氣中是以縱波形式傳播的，由于氣體分子的密度受溫度及成分的影響[7]。

聲速隨溫度變化的公式為：

V=331.4+0.607T（m/s）

其中，T為攝氏溫度。

圖7 ? ?測溫電路框圖

溫度測量電路的一般原理如圖7所示。測量溫度在硬件上有兩種方案，一種是采用溫度傳感器輔以濾波、放大、A/D等電路，被轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量送到單片機內(nèi)進行計算得到當前溫度下的超聲波傳播速度。另一種是直接購置溫度集成芯片，測量后直接發(fā)送數(shù)字信號給單片機。

前者設(shè)計電路較多，增加了成本和干擾進入電路的機會;后者抗干擾性強，雖然芯片稍貴一點，但性價比高，比如DS18B20。

DS18B20能將溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供單片機處理。除了具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗小、抗干擾能力強、使用簡等優(yōu)點外，還有以下特性：

三引腳設(shè)計：電源、地及信號端三根線，只要一條線就可以與單片機進行雙向雙向通訊;

將傳感器與處理電路集成于一體;

測溫范圍寬，從零下55攝氏度到155攝氏度均能勝任，分辨率達到0.5℃;

完成一次溫度轉(zhuǎn)換時間極短，不到ls;

測量數(shù)據(jù)串行發(fā)送。

6.結(jié)語

在超聲波測距裝置的設(shè)計中，充分考慮各種可能出現(xiàn)的干擾因素，精確測量傳播時間，是提高超聲波測距精度的關(guān)鍵。本文充分考慮在超聲波接收中的串擾、余震等現(xiàn)象，采用增加時間增益補償電路、單限電壓比較器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器提高抗干擾能力，提高超聲波測距的精度，可廣泛應用于實驗教學、液位測量、障礙物識別及自動導航等領(lǐng)域。

參考文獻：

[1]洪志剛，杜維玲，熊小青.傳感器原理及應用[M].長沙：中南大學出版社，2007.

[2]孔雅瓊.基于單片機的超聲測距儀研究與開發(fā)[D].長沙：國防科學技術(shù)大學，2007.

[3]安宗權(quán)，冷護基.基于ATmega8單片機的超聲測距儀[J].計算機測量與控制，2005.13：11.

[4]張珂，劉鋼海.提高超聲波測距精度方法的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（15）.

[5]蘭少瑩.無串擾超聲測距系統(tǒng)編碼激勵與回波處理[D].天津：天津大學，2008.

[6]羅小燕，譚厚初.超聲測距系統(tǒng)中抗干擾措施的研究[J].江西理工大學學報，2007.27：6.

[7]操文祥.基于單片機的超聲測距系統(tǒng)[D].蕪湖：安徽大學，2007.

基金項目（課題）：

2008年度中山職業(yè)技術(shù)學院教研教改項目“超聲波測距實驗教學裝置的研制”，項目批準號：JYB0802，主持人：李中帥。