基于40kHz超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蘭 羽

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

0 引言

超聲波是指振動(dòng)頻率高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)，其有光的聚焦、折射及反射等特性，同時(shí)又穿透能力強(qiáng)、能量集中、指向性好和傳輸過(guò)程中衰減較小等優(yōu)點(diǎn)。超聲波測(cè)距技術(shù)是一種利用超聲波信號(hào)在被測(cè)介質(zhì)中傳播到接收傳感器的時(shí)間來(lái)測(cè)量距離的一種方法。它具有非接觸式測(cè)量、精度高、范圍寬和安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)［1-2］。為了克服超聲波頻率太高或太低對(duì)超聲波測(cè)距的影響，系統(tǒng)采用40kHz的超聲波，發(fā)射脈沖群含有8～16個(gè)脈沖，以單片機(jī)AT89C51為核心，設(shè)計(jì)了超聲波測(cè)距系統(tǒng)。

1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理

超聲波的測(cè)距原理如圖1所示，AT89C51產(chǎn)生40kHz的脈沖，經(jīng)超聲波發(fā)射電路，加在B1向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物立即返回來(lái)，接收探頭B2接收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)［3］。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，超聲波在空氣中的傳播速度為340m／s，根據(jù)計(jì)數(shù)脈沖的重復(fù)周期T，得到渡越時(shí)間t=nT，因此，測(cè)量實(shí)際上變成讀出距離計(jì)數(shù)器的數(shù)碼值n。對(duì)目標(biāo)距離R的測(cè)定轉(zhuǎn)換為測(cè)量脈沖數(shù)n，從而把時(shí)間這個(gè)連續(xù)量變成了離散的脈沖數(shù)［4］。得到時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s，即：s=340t／2，這就是超聲波測(cè)距的基本原理。在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中，通常發(fā)射與接收探頭之間有一定距離，為了提高測(cè)量精度，需要考慮圖1中指示夾角θ。

圖1 超聲波的測(cè)距原理

v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；t為超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間。將式（2）代入式（1）得：

超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個(gè)常數(shù)，當(dāng)需要測(cè)量的距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2探頭B1，B2之間距離時(shí)，則式（3）變?yōu)椋篐=。所以，只要測(cè)量超聲波傳播的時(shí)間t，就得出測(cè)量的距離H。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 超聲波傳感器

超聲波傳感器是實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置。這種裝置能發(fā)射超聲波和接收超聲波回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)。其按收發(fā)方式可分兩類(lèi)：一類(lèi)是單晶直探頭，超聲波發(fā)射和接收分別是兩種不同的分體式，此類(lèi)傳感器測(cè)距有效范圍比較大，但不具備防塵、防水性能［5］；另一類(lèi)是收發(fā)一體式雙晶直探頭，此類(lèi)超聲波測(cè)距有效范圍比較小，防塵、防水性能好。由于考慮到成本等因素，系統(tǒng)所選用分體式探頭，超聲波探頭型號(hào)為T(mén)CT40T／R（直徑16mm），外形如圖2所示，TC為壓電陶瓷超聲波傳感器；T為通用型；T為發(fā)射；R為接收。其中心頻率為40kHz，相關(guān)參數(shù)是：發(fā)射聲壓≥117dB；標(biāo)稱(chēng)頻率為40kHz；靜電容2000pF。

圖2 超聲波探頭外形

2.2 超聲波發(fā)射電路

單片機(jī)AT89C51內(nèi)部的振蕩產(chǎn)生40kHz的方波信號(hào)由P1.0口輸出，經(jīng)過(guò)發(fā)射電路以及超聲波探頭發(fā)射出去，由于超聲波探頭為壓電陶瓷材料制造，單片機(jī)直接產(chǎn)生的方波不能直接加到換能器上。從單片機(jī)產(chǎn)生的40kHZ方波先通過(guò)二階的低通濾波器把方波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎也ㄐ盘?hào)，然后經(jīng)過(guò)功率放大集成芯片LM386功率放大后發(fā)射出去。它通過(guò)1、8引腳位間電容的搭配，增益最高可達(dá)200。LM386可使用電池為供應(yīng)電源，輸入電壓范圍為4～12V，無(wú)作動(dòng)時(shí)僅消耗4mA電流，且失真低。原理如圖3所示。

圖3 超聲波發(fā)射模塊原理

2.3 超聲波接收電路

超聲波信號(hào)在空氣中傳播一段距離后碰到運(yùn)動(dòng)物體反射回來(lái)。超聲波接收電路原理如圖4所示，其采用集成電路CX20106A，它是一款集放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和波形整形電路為一體的芯片。因紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測(cè)距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路［3］。圖4中，通過(guò)適當(dāng)?shù)母淖僀3的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。

工作原理：CX20106A集成芯片是當(dāng)超聲波接收探頭接收到超聲波信號(hào)時(shí)，壓迫壓電晶體做振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，由紅外線(xiàn)檢波接收集成芯片CX20106A接收到電信號(hào)后，對(duì)所接信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，若頻率在38～40kHz，則輸出為低電平，否則輸出為高電平。

圖4 CX20106A芯片構(gòu)成的超聲波接收電路

2.4 控制及顯示模塊

系統(tǒng)采用AT89C51作為數(shù)據(jù)處理芯片，AT89C51構(gòu)成的最小單片機(jī)系統(tǒng)如圖5所示，時(shí)鐘采用外部12MHz振蕩電路，系統(tǒng)通過(guò)S鍵進(jìn)行復(fù)位。P1.0口與超聲波發(fā)射電路連接，P3.5口與超聲波接收電路連接。系統(tǒng)采用LCD1602A液晶屏，LCD1602液晶第1、2腳接驅(qū)動(dòng)電源；第3腳VL為液晶的對(duì)比度調(diào)節(jié)，通過(guò)在VCC和GND之間接一個(gè)10kΩ多圈可調(diào)電阻，中間抽頭接VL，可實(shí)現(xiàn)液晶對(duì)比度的調(diào)節(jié)；液晶的控制線(xiàn)RS、R／W、E分別接單片機(jī)的P2.5，P2.6，P2.7；數(shù)據(jù)口接在單片機(jī)的P0口；BL+、BL-為液晶背光電源［6］。液晶顯示器（LCD）具有超薄、功耗低和體積小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于低功耗電子產(chǎn)品和智能儀表中［7］。

圖5 單片機(jī)控制顯示模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。程序分為2部分，主程序如圖6所示，主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。中斷服務(wù)程序如圖7所示，定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算和結(jié)果的輸出等工作。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)，啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能，記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，由H=vt計(jì)算距離。

圖6 主程序

圖7 定時(shí)中斷程序

主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0清零。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約0.1ms后，再打開(kāi)外中斷接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是12MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1μs，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按式H=1／2vt計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離，在20℃時(shí)的聲速為344m／s則有：H=1／2vt=172×t0m，t0為計(jì)數(shù)器 T0的計(jì)算值。測(cè)出距離后，結(jié)果LCD1602顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。

4 系統(tǒng)調(diào)試

將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和2次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。測(cè)試條件：超聲波2探頭中心軸線(xiàn)平行并相距0.05m，環(huán)境溫度為20°對(duì)應(yīng)超聲波速度v=344 m／s，經(jīng)多次重復(fù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)不斷優(yōu)化［8］。最終測(cè)試結(jié)果如表1所示。由測(cè)試數(shù)據(jù)知系統(tǒng)測(cè)量范圍為0.05～3m，相對(duì)誤差小于3%。

表1 測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)為主控核心，以40kHz的超聲波做探測(cè)波，設(shè)計(jì)了一種超聲波測(cè)距系統(tǒng)。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)聲速進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，并考慮了超聲波收發(fā)探頭之間的距離，以提高系統(tǒng)測(cè)量精度。系統(tǒng)具有測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、硬件電路簡(jiǎn)單易于集成、成本低和、操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試表明，測(cè)距范圍從0.08-3m，測(cè)量相對(duì)誤差小于3%，絕對(duì)誤差小于0.04m。可在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的距離、物位和液位要求較高的測(cè)量環(huán)境中應(yīng)用。

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