測(cè)距技術(shù)在物位檢測(cè)、醫(yī)療探傷、汽車防撞等民用、工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，由于超聲波的速度相對(duì)于光速要小的多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測(cè)，并且易于定向發(fā)射，方向性好，發(fā)射強(qiáng)度好控制，且不受電磁干擾影響，因而利用超聲波測(cè)距是一種有效的非接觸式測(cè)距方法。但超聲波在不同環(huán)境溫度下傳播速度不同，如忽略溫度影響，將影響最終測(cè)量精度。本文介紹的超聲波測(cè)距儀采用渡越時(shí)間檢測(cè)法，使用了DS1 8B20溫度傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并通過軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)波速的溫度補(bǔ)償，消除了溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，使測(cè)量誤差降低。
1 系統(tǒng)工作原理
超聲波測(cè)距原理如圖1所示。
圖1 超聲波測(cè)距原理
式中c--超聲波波速：t--從發(fā)射出超聲波到接收到回波所用時(shí)間。
限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計(jì)方法。
由于超聲波屬于聲波范圍，其波速c與溫度有關(guān)，經(jīng)過測(cè)量得出超聲波的波速與溫度的關(guān)系，如表1所示。
表1 聲速與溫度的關(guān)系表
將測(cè)量的速度數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行一階擬合得出：
c=331.6+0.6107xT （2）
式中T--當(dāng)?shù)販囟取?/p>
在測(cè)距時(shí)，可通過溫度傳感器自動(dòng)探測(cè)環(huán)境溫度、確定其時(shí)的波速c.波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間t,即可求得距離H,這樣能較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過的路程，提高了測(cè)量精確度。
本設(shè)計(jì)方案中使用渡越時(shí)間檢測(cè)法，測(cè)距儀工作原理為：在由單片機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的同時(shí)，開啟單片機(jī)中的計(jì)時(shí)器，開始計(jì)時(shí)。發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波，在由接收探頭接收到第一回波的同時(shí)停止單片機(jī)計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)，由于超聲波在空氣中的速度已知，根據(jù)公式即可求得探頭與待測(cè)目標(biāo)之間的距離。而且，可以在較短時(shí)間內(nèi)多次發(fā)出超聲波測(cè)量，完成后計(jì)算平均值然后顯示。
超聲波在相同的傳播媒體里（大氣條件）傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，但其頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短。考慮實(shí)際工程測(cè)量要求，在設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀時(shí)，選用頻率f=40kHz的超聲波，波長(zhǎng)為0.85cm.
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)作為主控制器，使用3位數(shù)碼管作為系統(tǒng)顯示屏，超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)需要的40 kHz脈沖由單片機(jī)P0.0發(fā)出，使用定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)和控制，超聲波接收使用CX20106A作為接收主控芯片，使用DS18B20作為溫度傳感器進(jìn)行溫度校正。超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)原理圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖
2.1 超聲波的發(fā)射電路設(shè)計(jì)
超聲波發(fā)送模塊是由超聲波發(fā)射探頭組成的，單片機(jī)的P0.0端口直接發(fā)送40 kHz的信號(hào)，使用9012三極管做為驅(qū)動(dòng)放大，驅(qū)動(dòng)壓電晶片超聲波換能器產(chǎn)生超聲波，超聲波發(fā)射電路如圖3所示。超聲波發(fā)射子程序的流程是，發(fā)射時(shí)首先裝填計(jì)時(shí)器，并且開始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波發(fā)射完畢時(shí)，定時(shí)器計(jì)時(shí)完畢，并且重新裝填等待下次發(fā)射。
圖3 超聲波發(fā)射電路
2.2 超聲波接收電路設(shè)計(jì)
在接收電路中使用了紅外線接收處理芯片CX20106A,因?yàn)樗幚淼氖?8 kHz的紅外信號(hào)，而40 kHz的超聲波信號(hào)和它比較接近，并且CX20106A芯片具有很強(qiáng)的抗干擾能力，這個(gè)芯片的外圍電路很簡(jiǎn)單而且通過外圍電阻調(diào)節(jié)它的中心處理頻率，通過改變外圍電路電容的大小也可以改變接收電路靈敏度和抗干擾能力。
經(jīng)過試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)用單片機(jī)發(fā)40 kHz信號(hào)與使用CX20106A的電路搭配更加簡(jiǎn)單合理，使得時(shí)間的計(jì)算更為精確。
該系統(tǒng)的超聲波接收模塊是由超聲波接收探頭和紅外線接收處理芯片CX20106A組成。如圖4所示。超聲波接收子程序的流程是，利用INT0中斷檢測(cè)回波信號(hào)，若有回波信號(hào)（INT0口低電平）就關(guān)閉外部中斷，同時(shí)停止計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)，將測(cè)距成功標(biāo)志位標(biāo)記為1（測(cè)距成功），同時(shí)提取時(shí)間值，計(jì)算待測(cè)距離，保存最終結(jié)果后打開外部中斷，等待下次測(cè)量。
圖4 超聲波接收電路
2.3 超聲波測(cè)距顯示電路
在顯示模塊選擇時(shí)有兩種，一種是用液晶顯示屏，其具有輕薄短小，分辨率高，可顯示漢字等各種符號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。但一般需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫，編程工作量大；一種則是選用數(shù)碼管，數(shù)碼管具有低電耗、壽命長(zhǎng)、易于維護(hù)的特點(diǎn)，同時(shí)精度比較高，稱量快，精確可靠，編程容易，操作簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)漢字及多數(shù)據(jù)多行顯示。綜合考慮本次設(shè)計(jì)中選擇了3位數(shù)碼管顯示。用PNP型三極管驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，并連接到單片機(jī)AT89C52的P0口上作位選。雖然顯示上沒有液晶顯示屏那么完全，但是也能夠完整直觀地顯示出需要的結(jié)果。圖5為超聲波測(cè)距硬件設(shè)計(jì)的顯示電路。
圖5 超聲波測(cè)距顯示電路
2.4 溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中，選擇使用溫度芯片DS18B20作為溫度傳感器。DS18B20支持"一線總線"接口，測(cè)量溫度范圍為-55~125℃，在-10~85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以"一線總線"的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。DS18B20引腳說明如表2所示。
表2 DS18B20引腳說明
DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。
溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)如圖6所示，數(shù)據(jù)輸入/輸出腳連接到單片機(jī)的P0.1腳，電源接口接入+5 V的電壓，外加5.6 kΩ的上拉電阻，因?yàn)镈S18B20是單總線溫度傳感器，數(shù)據(jù)線是漏極開路，如果DS18B20沒接電源，則需要數(shù)據(jù)線強(qiáng)上拉，給DS18B20供電；如果DS18B20接有電源，則需要一個(gè)上拉即可穩(wěn)定的工作。由于DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，檢測(cè)的溫度值在內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換，溫度測(cè)量結(jié)果直接以數(shù)字信號(hào)輸出，單片機(jī)對(duì)由DS18B20輸出的信號(hào)進(jìn)行讀取，經(jīng)過軟件對(duì)溫度數(shù)字值實(shí)現(xiàn)處理。
圖6 溫度補(bǔ)償電路
2.5 主電路原理圖
該系統(tǒng)主電路原理圖如圖7所示，單片機(jī)采用89C52系列，單片機(jī)使用外部時(shí)鐘源，外接6MHZ的晶振，由P0.0口直接輸出40 KHZ的驅(qū)動(dòng)信號(hào)給放大電路。接收到回波后，經(jīng)由CX20106的濾波，產(chǎn)生中斷信號(hào)，并由p3.2口輸出進(jìn)行中斷。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的3位數(shù)碼管，連接單片機(jī)AT89C52的P0口，而三極管連接P2口，作數(shù)碼管的位選。工作時(shí)，首先將系統(tǒng)初始化，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。并由P0.0腳發(fā)出40KHZ的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)打開INT0中斷，并且開始等待接收到的回波和中斷信號(hào)，若接收到回波（單片機(jī)接收到中斷信號(hào)），計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，保存時(shí)間信息，并且根據(jù)溫度補(bǔ)償計(jì)算出當(dāng)前環(huán)境下的聲速，計(jì)算出當(dāng)前待測(cè)距離后儲(chǔ)存，并調(diào)用顯示子程序。測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式傳送到LED顯示，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。
圖7 超聲波測(cè)距主電路圖
3 結(jié)論
經(jīng)過實(shí)測(cè)，本測(cè)距儀能夠迅速的測(cè)出250 m以內(nèi)的短距離障礙物，在30-200 cm范圍內(nèi)，誤差能控制在1 cm以內(nèi)，本設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)單實(shí)用，能耗低，成本低等特點(diǎn)。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的精度能滿足普通需求，若需要進(jìn)一步提高精度，可采用精度更高但系統(tǒng)更加復(fù)雜的雙頻超聲波測(cè)距的方法。
