關于超聲波測距器的設計與研究

鄭恩興，趙芷卿

（1.常州劉國鈞高等職業技術學校，江蘇 常州 213000；2.南京林業大學，江蘇 南京 210037）

1 設計的方案

我們知道，由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因此超聲波經常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離設計比較方便，計算處理也比較簡單，并且在測量精度方面也能達到日常使用的要求。

超聲波發生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波；另一類使用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。他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。目前在近距離測量方面較為常用的是壓電式超聲波換能器。

2 硬件總體設計

根據設計要求并綜合各方面因素，本例決定采用MSP430F123單片機作為主控制器，用動態掃描實現LED數字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器完成。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。

（1）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：

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

式中，T為實際溫度（℃），v的單位為m/s。我們知道，由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因此超聲波經常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離設計比較方便，計算處理也比較簡單，并且在測量精度方面也能達到日常使用的要求。

（2）溫度測量模塊。DS18B20溫度補償電路是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出，支持3V～5.5V的電壓范圍，使系統設計更靈活、方便；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生；多個DS18B20可以并聯到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適用于遠距離多點溫度檢測系統。分辨率設定，及用戶設定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20使電壓、特性有更多的選擇，讓我們可以構建適合自己的經濟測溫系統。

（3）超聲波發射模塊。發射電路主要由反相器CD4049和超聲波換能器構成，單片機P2.0端口輸出的40kHz方波信號一路經以及反向器送到超聲波換能器的一的點擊，另一路經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兩端可以提高超聲波的發射強度。輸出端采用CD4049可以提高驅動能力。

（4）超聲波接收模塊。運算放大器U4是高速運算放大器TLV2771。這個放大器具有高增益帶寬并在40kHz時提供充分的高增益。運算放大器連接成反相放大器構造。R13、R16設置增益為55、C6提供高頻滾降。R10、R22偏置非反相輸入端，為運算放大器的單輸入工作提供一個虛擬中間值。放大后的超聲波信號在這個虛擬中間值。上下波動傳感器RX1的高Q值提供選擇性并丟棄除了40kHz之外的頻率。運算放大器的輸出端連接到比較器A的輸入端CA0（即端口引腳P2.3）。比較器A的參考電平內部選擇為0.5Vcc。當接收到回聲時電壓高于參考電平從而觸發比較器A的輸出CAOUT。調整R10可以得到需要的靈敏度并優化測量范圍。

（5）單片機系統及顯示電路。超聲波測距儀主要以單片機MSP430F123為核心。系統采用40kHz高精度的晶振，以獲得較穩定的時鐘頻率，并減小測量誤差。單片機有P2.0端口輸出超聲波換能所需的40kHz方波信號，利用輸入端CAO監測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示其采用簡單實用的3位共陽LED數碼管，段碼用74LS244驅動，位碼用三極管9013驅動。

3 結語

該測距儀具有準雙向測距功能，穩定性比較高、靈敏度比較高，盲區范圍小，分辨率小于0.2m,被測目標不需要垂直于超聲波測距儀角度保持在正負30°，被測目標表面不需要平坦；但是在檢測過程中會有一些不便的地方：

（1）測量時在超聲波測距儀周圍沒有其他可反射超聲波的物體，由于發射功率有限，測距儀無法測量5m外的物體。

（2）因為實現雙向測距所以電路的電流相對比較大。

（3）不能夠實現不同溫度下的測距功能。

（4）因為超聲波是將空氣作為媒介所以受電磁干擾比較大。

[1]張謙琳.超聲波檢測原理和方法[M].北京：中國科技大學出版社，1993.

[2]周立功.RAM嵌入式系統基礎教育[M].北京:航空航天大學出版社,2005.

[3]陳光東.單片機微型計算機原理與接口技術(第二版)[M].武漢：華中理工大學出版社，1999.