一種高精度超聲波測距系統(tǒng)研究

摘要：介紹了一種以單片機(jī)AT89S52為核心，同時用74LS04驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭，用CX20106A對接收信號進(jìn)行放大、濾波、檢波并輸出負(fù)脈沖的低成本、高精度超聲波測距系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計方法。實驗證明，這套超聲波測距系統(tǒng)軟硬件設(shè)計合理、抗干擾能力強(qiáng)、實時性好。
關(guān)鍵詞：超聲波；測距；單片機(jī)；高精度

0 引言
    隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限，因此，超聲波測距還是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。為了能順利地完成汽車的停放，應(yīng)用測距電路能更準(zhǔn)確、即時地得到汽車與障礙物的距離。
    智能機(jī)器人進(jìn)入人們的家庭不再是科幻片里面的情節(jié)，現(xiàn)在已經(jīng)有很多機(jī)器人開始普及，如智能清潔機(jī)器人、智能防盜機(jī)器人等。而這些機(jī)器人是需要感覺周圍的環(huán)境來做出判斷的，測距系統(tǒng)就能發(fā)揮很大的作用。因此，設(shè)計高穩(wěn)定性、高精度的超聲波測距儀就顯得特別重要。

1 超聲波測距原理
    和蝙蝠探測障礙物的方法一樣，用超聲波測距時，先由超聲波測距儀向前方發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中直線傳播。當(dāng)前方有障礙物時，超聲波發(fā)生反射并被接收端接收。這樣，通過比較反射回來的超聲波與發(fā)射超聲波的時間差，就可以計算出測距儀到阻礙物之間的距離。
    反射超聲波與發(fā)射超聲波的時間差比較容易獲取，且計算只與超聲波在空氣中的傳播速度有關(guān)，因此，這種方法將得到普遍應(yīng)用。若超聲波以速度v在空氣中傳播，遇到物體后反射，由接收器接收的時間差為t，那么，由s=vt／2，就可以計算出所測距離。但是，超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)，如果測距精度要求很高，就需要通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?br />
2 系統(tǒng)的總體設(shè)計
    超聲波測距系統(tǒng)的整個系統(tǒng)由單片機(jī)來控制。啟動測量時，由單片機(jī)發(fā)出一個控制信號去觸發(fā)發(fā)射電路，使發(fā)射電路起振，同時驅(qū)動超聲波發(fā)射器發(fā)射出一串超聲波脈沖(六個脈沖)，并同時啟動單片機(jī)的定時計數(shù)器開始計數(shù)，也就是開始測量渡越時間。當(dāng)這些脈沖到達(dá)被測目標(biāo)時，將發(fā)生反射，并經(jīng)空氣傳播被超聲波接收器接收，再由放大電路進(jìn)行選頻放大。接收到的第一個脈沖去觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，使定時計數(shù)器停止計數(shù)，這樣，根據(jù)計數(shù)器的值就可以算出時間。
2．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1．1 超聲波發(fā)射電路
    超聲波傳感器利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化。其發(fā)射電路原理圖如圖1所示。該發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器構(gòu)成。單片機(jī)的P2．1端口輸出的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，可以提高驅(qū)動能力。上位電阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力；另一方面，還可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。

2．1．2 超聲波接收電路
    集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的38 kHz載波頻率與測距的40 kHz超聲波頻率較為接近，設(shè)計時可以利用它制作超聲波檢測接收電路，圖2所示就是本文的超聲波接收電路。實驗證明，利用CX20106A接收超聲波，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。另外，適當(dāng)更改電容C4的大小，還可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。

2．2 超聲波測距的軟件設(shè)計
    超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個57 603 Hz的超聲波信號后，將立即啟動定時計數(shù)器和外部中斷。當(dāng)這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收。此時，CX20106A會產(chǎn)生一個負(fù)脈沖觸動外部中斷，同時讀出并保存計時器寄存器的值，關(guān)閉外部中斷，同時測量溫度，計算超聲波速度、測量距離。如果測量距離大于23 cm或是沒有接收到回波，就再發(fā)送40 kHz的超聲波驅(qū)動脈沖，重新測量。
    然后再根據(jù)前面所述原理計算距離，計算公式為：
    S=T(s×100)／2-0．75           (1)
    式中，S為所測距離，單位為cm；T為發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間差，單位為s；s為超聲波速度，單位為m／s，由于發(fā)射超聲波與接收超聲波期間，超聲波傳播的距離為測量距離的兩倍，所以要除以2；后面的0．75為實驗得出的補(bǔ)償值。其補(bǔ)償公式如下：
    s=331．4+0．61temp          (2)
    式中，temp為環(huán)境溫度；s為超聲波傳播速度，單位為m／s。

3 系統(tǒng)測試
    筆者通過實驗對該超聲波測距系統(tǒng)進(jìn)行了實驗，表1所列是實驗所得出的實際測量數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語
    本文對低成本、高精度超聲波測距儀進(jìn)行了全面的介紹，給出了超聲波測距的軟硬件設(shè)計方法。采用AT89S52單片機(jī)作為核心處理單元來降低整體儀器的體積和成本。本設(shè)計使用74LS04并以推挽形式驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭，同時選用CX20106A對接收信號進(jìn)行放大、濾波、檢波并輸出負(fù)脈沖，完成超聲波測距儀自動控制，由超聲波驅(qū)動頻率檢測距離。最后在單片機(jī)的控制下，將測量距離和環(huán)境溫度通過液晶屏顯示出來。