高精度超聲波測量距離系統的設計原理與實現

　  在工程實踐中，超聲波由于指向性強、能量消耗緩慢且在介質中傳播的距離較遠，因而經常用于距離的測量。它主要應用于倒車雷達、測距儀、物位測量儀、移動機器人的研制、建筑施工工地以及一些工業現場等，例如：距離、液位、井深、管道長度、流速等場合。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便，且計算簡單、易于做到實時控制，在測量精度方面也能達到工業實用的要求，因此得到了廣泛的應用。

　　超聲波測距的基本原理

　　超聲波發生器在某一時刻發出超聲波信號，遇到被測物體后反射回來，被超聲波接收器接收到。只要計算出超聲波信號從發射到接收到回波信號的時間，知道在介質中的傳播速度，就可以計算出距被測物體的距離：

　　d=s/2=(vt)/2 （1）

　　其中d為被測物到測距儀之間的距離，s為超聲波往返通過的路程，v為超聲波在介質中的傳播速度，t為超聲波從發射到接收所用的時間。為了提高精度，需要考慮不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關系：

　　v=331.4+0.61T （2）

　　式中，T為實際溫度(℃)，v的單位為m/s。

　　壓電式超聲波傳感器的原理

　　目前，超聲波傳感器大致可以分為兩類：一類是用電氣方式產生的超聲波，一類是用機械方式產生的超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。在工程中，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。

　　壓電式超聲波傳感器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。壓電式超聲波發生器的內部有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時即為超聲波接收器。

　　反射式超聲波測距儀的硬件電路設計

　　本系統硬件電路由單片機最小系統、溫度補償電路、超聲波發射電路、超聲波接收電路、顯示電路構成，如圖1所示。

　　

　　本超聲波測距儀的具體工作過程如下，在單片機產生復位信號后，由MC9S12DG128B產生一個控制信號，控制外圍電路產生40kHz的超聲波，經整形放大后加到超聲波換能器發射出頻率為40kHz的超聲波。同時，計數MC9S12DG128B內部的定時器，測量超聲波信號從發出到接收所花的時間，并把經超聲波換能器R接收到的超聲波信號放大、濾波、整形，并作為接收信號來啟動定時器的輸入捕捉功能，完成一次超聲波測距的時間操作。同時，由溫度傳感器DS18B20測得當前的環境溫度，讀入單片機，然后經其處理，在液晶顯示屏上顯示相應的測量值以及當前溫度。

　　微控制器MC9S12DG128B

　　MC9S12DG128B是飛思卡爾公司推出的S12控制器中的一款16位微控制器。其集成度高，片內資源豐富，接口模塊包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等，在FLASH存儲控制及加密方面有較強的功能。

　　MC9S12DG128B微控制器采用增強型16位S12 CPU，片內總線時鐘頻率最高可達25MHz；片內資源包括8kB RAM、128kB FLASH、2kB EEPROM、SCI、SPI及PWM串行接口模塊；PWM模塊可設置成4路8位或2路16位，可寬范圍選擇時鐘頻率；它還提供2個8路10位精度A/D轉換器、控制器局域網CAN和增強型捕捉定時器，并支持背景調試模式（BDM）。

　　超聲波的發射電路

　　超聲波發射電路一般由超聲波反射器T、40kHz的超音頻振蕩器、驅動（或激勵）電路等組成，本設計利用門電路產生40kHz的超聲波，組成的超聲波發射電路見圖2。

　　

　　圖中，與非門74LS00和LM386組成超聲波發射電路，用74LS00構成多諧振蕩器，通過調節20k的電位器，可產生超聲波發射的40kHz信號，其中U3A為驅動器，電路振蕩頻率f≈1/2.2RC，單片機的控制信號由U2A輸入。為增大超聲波的發射頻率，本設計利用了單運放LM386，發射距離可達4m。

　　超聲波的接收電路

　　超聲波接收電路如圖3所示。接收頭采用與發射頭配對的超聲波接收器R，將超聲波調制脈沖變為交變電壓信號。為了進行信號的整形，在設計中的CMOS電平的6非門芯片CD4069，可以減少電路的復雜程度，提高電路的帶負載能力。整形后的信號由C1耦合給帶有鎖定環的音頻譯碼集成塊LM567的輸入端3腳，當輸入信號的幅度落在其中心頻率上時，LM567的邏輯輸出端8腳由高電平躍變為低電平。

　　

　　DS18B20溫度補償電路

　　根據上文中式（2）可知，溫度對聲速的影響較大，若不進行補償，將會帶來測量誤差，為了提高系統的測量精度，設計了溫度補償電路。系統采用數字溫度傳感器DS18B20來采集溫度，DS18B20是美國DALLAS公司生產的1-wire總線串行數字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、抗干擾能力強、易于與微處理器接口等優點，適合于各種溫度測控系統。它的測量溫度范圍為-55℃~+125℃，精度可達0.0675℃，最大轉換時間為200ms。

　　數字式溫度傳感器和模擬溫度傳感器最大的區別是：將溫度信號直接轉化成數字信號，然后通過串行通信的方式輸出。因此掌握DS18B20的通信協議是使用該器件的關鍵。該協議定義了幾種信號類型：復位脈沖、應答脈沖時隙；寫“0”、讀“1”時隙，讀“0”、讀“1”時隙。初始化后，傳感器輸出兩個字節的溫度，進行數據處理后得到實際溫度的值，利用式（2）可計算補償聲速。

　　液晶顯示電路

　　字符點陣系列模塊是一類專門用于顯示字母、數字、符號等的點陣型顯示模塊。分4位和8位數據傳輸方式。它提供5×7點陣+光標和5×10點陣+光標的顯示模式。提供顯示數據緩沖區DDRAM、字符發生器CGROM和字符發生器CGRAM，可以使用CGRAM來存儲自己定義的最多8個5×8點陣的圖形字符的字模數據。它提供了豐富的指令設置：清顯示，光標回原點，顯示開/關，光標開/關，顯示字符閃爍，光標移位，顯示移位等。提供內部上電自動復位電路，當外加電源電壓超過+4.5V時，自動對模塊進行初始化操作，將模塊設置為默認的顯示工作狀態。OCM2X16顯示兩行字符，每行可以顯示16個字符。本設計采用OCM2X16，顯示兩行字符，一行顯示當前的環境溫度，一行顯示所測距離。

　　系統軟件設計

　　系統軟件包括主程序、溫度采集子程序、定時器計時子程序、計算子程序、液晶顯示子程序等。主程序包括初始化和各個子程序的調用，最后把測量結果用液晶顯示屏顯示出來（見圖4）。

　　本系統采用飛思卡爾單片機MC9S12DG128B做主控制器，可靠性好，抗干擾和電磁兼容性強，內部資源較豐富，軟件的工作量大大降低，而且支持背景調試（BDM）方式，編程更加方便，靈活。

　　在本設計中，通過外部硬件電路來產生40kHz的超聲波信號，因而相對于由單片機產生的40kHz超聲波信號而言，更加接近超聲波傳感器的共振頻率，因而使超聲波傳感器的輸出最大，可以有效地提高測量距離，測量距離在0.3m~4m內。

　　本設計采用數字式溫度傳感器實現對單片機超聲波測距系統的溫度測量和補償，對聲速進行補償，對引起測量誤差的因素進行修正處理，提高了系統的測量精度及靈敏度，使探測精度不超過1cm，從而達到了很好的效果。