超聲波測距系統的設計方法

　　摘要：超聲波是一種頻率在20KHz以上的機械波，在空氣中的傳播速度約為340m/s（20°C時）。超聲波可由超聲波傳感器產生，常用的超聲波傳感器兩大類：一類是采用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。本文介紹了超聲波測距系統的設計方法，供讀者們參考。
　　
　　引言
　　
　　超聲波是一種頻率在20KHz以上的機械波，在空氣中的傳播速度約為340m/s（20°C時）。超聲波可由超聲波傳感器產生，常用的超聲波傳感器兩大類：一類是采用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。由于超聲波具有易于定向發射，方向性好，強度好控制，對色彩、光照度不敏感，反射率高等特點，因此被廣泛應用于無損探傷，距離測量、距離開關、汽車倒車防撞、智能機器人等領域。
　　
　　1、系統原理框圖
　　
　　本設計的整體框圖如圖1所示，主要由超聲波發射，超聲波接收與信號轉換，按鍵顯示電路與溫度傳感器電路組成。超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發射和接收回波的時間差T，然后求出距離S=CT/2，式中的C為超聲波波速。在常溫下，空氣中的聲速約為340m/s。由于超聲波也是一種聲波，其傳播速度C與溫度有關，在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。因本系統測距精度要求很高，所以通過對溫度的檢測對超聲波的傳播速度加以校正。超聲波傳播速度確定后，只要測得超聲波往返的時間，如圖2所示，即可求得距離。這就是超聲波測距系統的基本原理。
　　
　　2、超聲波信號的發射與接收電路
　　
　　發射部分電路如圖3所示，主要由脈沖調制信號產生電路，隔離電路以及驅動電路組成，用來為超聲波傳感器提供發送信號。脈沖調制信號產生電路中通過單片機對555定的復位（RESET）端的控制，使555定時器分時工作從而生產生脈沖頻率為40KHz，周期為30ms的脈沖調制信號，信號波形如圖2所示，本設計中一個周期內發送10個脈沖信號。隔離電路主要是由兩個與非門組成，對輸出級與脈沖產生電路之間進行隔離。輸出級由兩個通用型集成運放TL084CN組成，由于超聲波傳感器的發射距離與其兩端所加的電壓成正比，因此要求電路要產生足夠大的驅動電壓，其基本原理就是一個比較電路，當輸入信號Vi>2.5V時，運放A的輸出電壓VA=+12V，運放B的輸出電壓VB=-12V，當輸入信號Vi<2.5V時，運放A的輸出電壓VA="-12V"，運放B的輸出電壓VB=+12V，所以在超聲傳感器兩端得到兩個極性*相反的對稱波形，即VB=-VA，所以加在超聲波傳感器兩端的電壓V=VA-VB=2VA，其兩端的電壓可達到24V，從而保證超聲波能夠發送較遠的距離，提高了測量量程。　　
　　接收部分的電路由放大電路，帶通濾波電路以及信號變換電路組成。放大電路和帶通濾波電路如圖4所示。由于超聲波信號在空氣中傳播時受到很大程度的衰減，所以反射回的超聲波信號非常的微弱，不能直接送到后級電路進行處理，必須將信號放大到足夠的幅度，才能使后級電路對它進行正確的處理。前置放大電路是由集成運放組成的自舉式同相交流放大電路，具有很高的輸入阻抗，C5，C6，C7為隔直電容，R5，R6，R7為偏置電阻，用來設置放大器的靜態工作點。帶通濾波器采用二階RC有源濾波器，用于消除超聲波傳播過程中受到的干擾信號的影響。該電路為二階壓控電壓源帶通濾波電路，圖中RW，C10組成低通濾波網絡，C9和R12組成高通濾波網絡，兩者串聯組成了帶通濾波電路。集成運放和電阻R9，RlO一起組成同相比例放大器，為了使電路能夠穩定工作，必須保證同相比例放大器的增益AV<3，帶通濾波器的中心頻率ω0=40kHz，電路參數可通過AV=1+R9/R10和ω0=1/R12C2（1/RW+1/R13）確定。經過帶通濾波后的信號經儀表放大器AD620進行放大，然后送到信號變換電路，信號變換電路主要將接收到的包絡信號變換成單片機的中斷觸發信號。由包絡檢波電路，電壓比較器和RS觸發器組成。包絡檢波電路由二極管D3，電阻R19，和電容C13組成。經過包絡檢波得到的信號如圖6中的V2所示。電壓比較器由集成運放和電容電阻組成，為了消除發送探頭的干擾信號，我們將單片機P1.2輸出的信號加到電壓比較器的同相端，它的波形是250μs的高電平，和29750μs低電平的方波，通過二極管D3將P1.2和比較器的正向端隔離。當P1.2輸出高電平時，通過二極管對電容C14充電，由于二極管是正向導通的，所以充電很快，當P1.2輸出為低電平時，二極管反向截止，電容通過電阻RW和R21放電，由于總電阻比較大，所以放電很緩慢，波形如圖6中V3所示，從圖中可看出，在沒有收到返回信號時，比較器輸出高電平，如果收到返回信號，比較器便輸出低電平，輸出波形如圖6中Vo所示，通過這種方法就可以消除發射探頭對反射回的信號的干擾。　　
　　電壓比較器的輸出信號送到基本RS觸發器用于產生單片機所需的中斷信號。基本RS觸發器由與非門組成，同時由單片機進行控制，如圖6所示。在發送端發送超聲波信號時，P1.2輸出高電平，經過反相器后，變為低電平加到觸發器的R端，因為沒收到反射信號之前，電壓比較器輸出為高電平，所以基本RS觸發器的輸入分別為，R=O，S=l，為0態，即Q=0，Q=1，Q的信號加到單片機的中斷輸入端，因為單片機的中斷為下降沿觸發，輸入為高電平，不產生中斷。當發送完畢時，P1.2輸出低電平，經反相器，變為高電平送到觸發器的R端，沒有收到反射回的信號時，電壓比較器輸出仍為高電平，所以基本RS觸發器的R="1"，S=1，為保持狀態，即Q=1，Q=0，也不產生中斷。當接收到反射回的信號時，電壓比較器輸出低電平，因此，基本RS觸發器的輸入端R="1"，S=0，觸發器工作在0態，即Q=O，Q=1。單片機的中斷輸入端的電平由高電平變為低電平，從而使單片機產生中斷。
　　
　　3、單片機外圍電路原理圖
　　
　　單片機的外圍電路圖如圖7所示，顯示電路由單片機控制七段數碼管進行顯示，采用數字溫度傳感器DS18820對環境溫度進行檢測，從而對超聲波的傳播速度進行溫度補償，提高測量精度。兩個按鍵用于控制測量的開始與停止以及距離與溫度顯示的切換。　　
　　4、軟件設計
　　
　　軟件設計包括三個部分，主程序，定時中斷程序和外部中斷程序，流程圖如圖7所示。　　
　　5、結論
　　
　　本系統由于發射功率和超聲波發射探頭的原因，測量距離在10cm到500cm之間，在近距離測量和遠距離測量時存在誤差較大，在50cm和200cm之間測量時精度，誤差不大于1cm。在本設計中由于超聲波發射周期為10個25μs的方波，因此發射時間為T=250μs，已知常溫下聲速C為340m/s，可知S=CT/2=250μs/2=8.5cm，因此確認測距盲區為9cm。即當測量距離小于9cm時不能正確測量。