基于單片機的超聲測距系統

馮學齊

[摘要]介紹并設計一種基于單片機的超聲測距系統。該系統以超聲波的傳播速度為確定條件，利用發射超聲波與反射回波時間差來測量待測距離。概述超聲波檢測的基本原理。并且在介紹超聲測距系統功能的基礎上，提出系統的總體構成。

[關鍵詞]超聲波測距系統單片機

中圖分類號：059文獻標識碼：A文章編號：1671—7597(2009)0210030－01

一、引言

目前，非接觸式測距儀常采用超聲波、激光和雷達。但激光和雷達測距儀造價偏高，不利于廣泛的普及應用，在某些應用領域有其局限性，一般僅用于軍事工業。相比之下，超聲波測距系統電路易實現、結構簡單和造價低，且超聲波在傳播過程中不受煙霧、空氣能見度等因素的影響對外界光線、色彩和電磁場不敏感，更適于黑暗、電磁干擾強、有毒、灰塵或煙霧的惡劣環境，在識別透明及漫反射性差的物體上也更有優勢。所以超聲波測距在各種場合均得到廣泛應用，如倒車防撞雷達、海洋測量、物體識別、工業自動控制，建筑工程測量和機器人視覺識別。

二、系統原理

超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測法易受反射波的影響，故本系統采用超聲波渡越時間檢測法。其原理為：檢測從超聲波發射器發出的超聲波，經氣體介質的傳播到接收器的時間，即渡越時間。渡越時間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸的距離。該距離的計算公式如下：

d＝s/2＝vt/2

其中：d為被測物與測距器的距離；s為聲波的來回路程；v為聲速；t為聲波來回所用時間。

三、系統硬件設計

超聲波測距系統包括單片機系統，超聲波發射電路，超聲波檢測接收電路，數碼管顯示電路四部分。綜合各方面因素，本系統采有AT89S52單片機為主控制器。由單片機的晶振電路產生4MHz方波信號，經分頻器分頻輸出40kHz的驅動信號給超聲波發射器T，使發射器起振發出超聲波。同時啟動單片機的計數器開始計時。超聲波信號在空氣中傳播至障礙物后產生反射，反射回波被超聲波接收器R接收，轉換為電信號脈沖，經放大，濾波，比較，整形后，輸入到外部中斷口產生中斷，計數器停止，通過，計數器的脈沖個數就能算出渡越時間大小，從而求出間距d。數碼管顯示電路用動態掃描法實現。

如圖1所示為超聲測距系統總體電路圖，發射部分采用三極管S9013作為功率放大電路，以提供足夠的輸出功率，一般情況下，不要求功率放大電路提供很大的電壓放大倍數。所以用升壓變壓器產生足夠的驅動電壓驅動探頭。功率放大電路輸出給負載的功率是由電路中的直流電源提供的，在輸入信號的控制下，將直流電源的直流功率轉換成為負載所需要的交流功率。

超聲波檢測電路采用集成芯片CX20106A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，它由前置放大器，限幅放大器路，帶通濾波電路，峰值檢波器，波形整形電路等組成。它常用的載波頻率38khz與測距超聲波頻率40khz較為接近，可以利用它作為超聲波檢測電路。超聲波接受換能器收到超聲波時，通過共振板壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉化電信號，信號經過CX20106A濾波，放大，整形送到單片機。

LED顯示器為簡單實用的4位共陰LED數碼管，采用動態掃描法。P2口作為位掃描口，PO口作為段數據口，經2K排阻直接驅動顯示器。

四、系統軟件設計

超聲波測距軟件采用匯編語言編程，其具有較高的效率并且容易精確計算程序運行的時間。主程序首先對系統環境初始化，設置定時器TOI作模式為16位的定時計數器模式，置位總中斷允許位EA并給顯示端口PO和P2清0。然后調用超聲波發生子程序送出一個超聲波脈沖，為避免超聲波從發射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發，需延遲0.1ms(這也就是測距器會有一個最小可測距離的原因)后才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用12MHz的晶振，機器周期為1us，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數器TO中的數按式(2)計算即可測得被測物體與測距儀之間的距離：

d＝CTO/2(其中TO為計數器TO的計數值)

(2)

測出距離后結果將以十進制BCD送往LED，顯示約0.5s，然后再發超聲波脈沖重復測量過程。

五、系統性能及誤差分析

設測量設備基準確面距被測物距離為h，則空氣傳播的超聲波波動方程為：A＝A(h)cos(ωt＋kt)＝Aê^-2atcos(ωt＋kt)

(3)

由(3)式知超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于超聲波的指向性，測量環境對超聲波測距測量精度的影響遠遠要比收發時間的影響嚴重。超聲波的傳播速度與介質密度和彈性特性有關。因此，利用超聲波測量距離，就要考慮這些因素。實際情況下，溫度每升高或下降I'C，聲速將增加或減少0.607m/s，這個影響對于較高精度的測量是相當嚴重的。因此提高超聲波測量精度的重中之重就是獲得準確的聲速。聲波傳播過程中，聲壓的幅度由于媒質中聲吸收而衰減，聲強隨頻率增高衰減增加，在給定的頻率時衰減是濕度的函數。產生最大衰減時的濕度值視頻率而不同。

當超聲波波束對探測目標是垂直入射垂直反射時，測量距離才是精確的，但實際情況下，超聲波波束對探測目標有一定的入射角，使測量結果比實際測量距離偏大。

六、結束語

本課題論述超聲波測距系統的基本原理，測量計算方法簡單，實現方案容易。采用軟件控制，提高了測量精度和整機的可靠性。通過超聲波換能器和LED數碼管可以測量和顯示0.01～12.00m內的物體距離，分辨率可達到0.01m。這種測距系統可用于物面和液面測量，汽車倒車報警裝置。硬件采用模塊化設計，可以嵌入到其他系統中。