基于單片機的超聲波測距儀

摘要:隨著檢測技術研究的不斷深入，對超聲檢測儀器的功能要求越來越高，單數碼顯示的超聲檢測儀測讀會帶來較大的測試誤差。進一步要求以后生產的超聲儀能夠具有雙顯及內帶有單板機的微處理功能。本文簡要介紹了基于單片機的超聲波測距儀的主要硬件電路。
    關鍵詞:超聲波 設計原理 發(fā)射電路 接收電路
    傳統(tǒng)的測距方式在某些特殊場合存在不可克服的缺陷。如液面測量、井下測量等受到很大的限制。利用超聲波測距可解決這些問題，因此超聲波測距技術在工業(yè)控制、勘探測量、機器人定位等領域得到了廣泛應用。所謂超聲波是指高于20KHZ的機械波，具有強度大、方向性好等特點。本系統(tǒng)選用M68HC08單片機為控制部件。
    一、設計原理
    當超聲波從空氣中垂直入射到汽油、木材、鋼材時，幾乎產生全反射，這樣，反射回來的回波具有足夠的能量被接收探頭所接收，為超聲波測距創(chuàng)造了可能性。

"     如圖1所示，超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就停止計時。常溫下超聲波在空氣中的傳播速度為C=340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(S)，即：s=c*t/2=c*t0（t0就是所謂的渡越時間）
    二、超聲波測距系統(tǒng)硬件設計總體方案
    本系統(tǒng)中選用的探頭是40KHz的超聲傳感器，有一支接收傳感器SZW-R40-10P和一支發(fā)射傳感器SZW-S40-12M。
    MC68HC908GP32單片機是Motorola公司的第2代8位微控制器，由于其高性價比，非常適用于中小型MCU開發(fā)商和生產廠家的歡迎。這類MCU的指令集非常精簡，容易被用戶掌握。其主要硬件資源有：片內307字節(jié)的監(jiān)控ROM，32KB的片內FLASH存儲器和512B RAM，33根通用的I/O引腳，2個16位的雙通道定時器接口模塊，外部中斷，同時具有看門狗監(jiān)視復位，低電壓極限檢測復位，非法指令檢測復位等，使得應用系統(tǒng)免除了進入死循環(huán)的危險。
    （一）發(fā)射電路。本系統(tǒng)采用方波調制的脈沖發(fā)射電路，即采用單片機的PORTA4口作為IO口，同時外接驅動芯片來提高其輸出電流的驅動能力，保證40KHz的脈沖信號有一定的功率。單片機產生以5個40KHz為一組的脈沖群，加到壓電晶片上能使晶片發(fā)出超聲波，當信號為高電平時，發(fā)射傳感器兩端就加上了高電壓，內部的壓電晶片開始振動，此時接收傳感器的兩端可以檢測到有40KHz信號；當信號為低電平時，發(fā)射傳感器通過回路放電，此時接收傳感器可以接收到回波信號。
    （二）接收前置及帶通放大電路。放大電路共有三級：前置放大器是高阻抗輸入級，高輸入阻抗是為了與傳感器的高阻抗匹配。
    課題中的帶通放大器采用了集成濾波器MAX275，這是一款連續(xù)時間模擬集成有源濾波器，片內硬件由四個運算放大器及若干電阻電容組成。MAX275組成的濾波器具有外接元件少、結構簡單、參數調整方便和不受運算放大器本身頻率特性影響等優(yōu)點；由于沒有外接電容，而且是單片結構，因而高頻場合時受分布電容的影響較小。MAX275使用±5V電源，電源電流最大不超過30mA。

    （三）LED顯示電路。MAX7219就是一種高性能，低價格的多位LED顯示驅動器，可同時驅動8位共陰極LED或64只獨立的LED發(fā)光二極管，其內部具有14*8RAM數字和功能控制寄存器，可方便的對每位數字進行單獨控制，刷新，不需重寫整個顯示器寄存器。如圖5，通信方式采用串行數據方式，可與68HC08系列的任何一種微控制器方便的接口，廣泛應用在條狀圖形顯示器，7段數碼管顯示器，工業(yè)控制器顯示模板，面板表與LED矩陣顯示屏等眾多場合。
    三、結論
    本系統(tǒng)在空氣中測量范圍為0～3m左右，對固體，液體表面均可測量，但要求被測表面比較光滑平坦，確保超聲波能夠被反射回來，并被探頭接收。在實驗中，對8～260cm范圍進行測量，經誤差補償后近距離是最大誤差達30mm。線性度，穩(wěn)定性和重復性都比較好