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(jì)方法。實(shí)驗(yàn)證明，這套超聲波測距系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)
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(jì)數(shù)器開始計(jì)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(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這樣，根據(jù)計(jì)數(shù)器的值就可以算出時間。
2．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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。