一种超声波测距系统的设计

　　引言

　　超声波是一种频率在20KHz以上的机械波，在空气中的传播速度约为340 m/s（20°C时）。超声波可由超声波传感器产生，常用的超声波传感器两大类：一类是采用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波，目前较为常用的是压电式超声波传感器。由于超声波具有易于定向发射，方向性好，强度好控制，对色彩、光照度不敏感，反射率高等特点，因此被广泛应用于无损探伤，距离测量、距离开关、汽车倒车防撞、智能机器人等领域。

　　1 系统原理框图

　　本设计的整体框图如图1所示，主要由超声波发射，超声波接收与信号转换，按键显示威廉希尔官方网站 与温度传感器威廉希尔官方网站 组成。超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差T，然后求出距离S=CT/2，式中的C为超声波波速。在常温下，空气中的声速约为340m/s.由于超声波也是一种声波，其传播速度C与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。因本系统测距精度要求很高，所以通过对温度的检测对超声波的传播速度加以校正。超声波传播速度确定后，只要测得超声波往返的时间，如图2所示，即可求得距离。这就是超声波测距系统的基本原理。

　　2 超声波信号的发射与接收威廉希尔官方网站

　　发射部分威廉希尔官方网站 如图3所示，主要由脉冲调制信号产生威廉希尔官方网站 ，隔离威廉希尔官方网站 以及驱动威廉希尔官方网站 组成，用来为超声波传感器提供发送信号。脉冲调制信号产生威廉希尔官方网站 中通过单片机对 555定的复位（RESET）端的控制，使555定时器分时工作从而生产生脉冲频率为40KHz，周期为30ms的脉冲调制信号，信号波形如图2所示，本设计中一个周期内发送10个脉冲信号。隔离威廉希尔官方网站 主要是由两个与非门组成，对输出级与脉冲产生威廉希尔官方网站 之间进行隔离。输出级由两个通用型集成运放TL084CN 组成，由于超声波传感器的发射距离与其两端所加的电压成正比，因此要求威廉希尔官方网站 要产生足够大的驱动电压，其基本原理就是一个比较威廉希尔官方网站 ，当输入信号 Vi>2.5V时，运放A的输出电压VA=+12V，运放B的输出电压VB=-12V，当输入信号Vi<2.5V时，运放A的输出电压 VA=“-12V”，运放B的输出电压VB=+12V，所以在超声传感器两端得到两个极性完全相反的对称波形，即VB=-VA，所以加在超声波传感器两端的电压V=VA-VB=2VA，其两端的电压可达到24V，从而保证超声波能够发送较远的距离，提高了测量量程。

　　接收部分的威廉希尔官方网站 由放大威廉希尔官方网站 ，带通滤波威廉希尔官方网站 以及信号变换威廉希尔官方网站 组成。放大威廉希尔官方网站 和带通滤波威廉希尔官方网站 如图4所示。由于超声波信号在空气中传播时受到很大程度的衰减，所以反射回的超声波信号非常的微弱，不能直接送到后级威廉希尔官方网站 进行处理，必须将信号放大到足够的幅度，才能使后级威廉希尔官方网站 对它进行正确的处理。前置放大威廉希尔官方网站 是由集成运放组成的自举式同相交流放大威廉希尔官方网站 ，具有很高的输入阻抗，C5，C6，C7为隔直电容，R5，R6，R7为偏置电阻，用来设置放大器的静态工作点。带通滤波器采用二阶RC有源滤波器，用于消除超声波传播过程中受到的干扰信号的影响。该威廉希尔官方网站 为二阶压控电压源带通滤波威廉希尔官方网站 ，图中RW，C10组成低通滤波网络，C9和R12组成高通滤波网络，两者串联组成了带通滤波威廉希尔官方网站 。集成运放和电阻R9，RlO一起组成同相比例放大器，为了使威廉希尔官方网站 能够稳定工作，必须保证同相比例放大器的增益AV<3，带通滤波器的中心频率ω0=40kHz，威廉希尔官方网站 参数可通过AV=1+R9/R10和ω0=1/R12C2（1/RW+1/R13）确定。经过带通滤波后的信号经专用仪表放大器AD620进行放大，然后送到信号变换威廉希尔官方网站 ，信号变换威廉希尔官方网站 主要将接收到的包络信号变换成单片机的中断触发信号。由包络检波威廉希尔官方网站 ，电压比较器和RS触发器组成。包络检波威廉希尔官方网站 由二极管D3，电阻R19，和电容C13组成。经过包络检波得到的信号如图6中的V2所示。电压比较器由集成运放和电容电阻组成，为了消除发送探头的干扰信号，我们将单片机P1.2输出的信号加到电压比较器的同相端，它的波形是250μs的高电平，和29750μs低电平的方波，通过二极管D3将P1.2和比较器的正向端隔离。当P1.2输出高电平时，通过二极管对电容C14充电，由于二极管是正向导通的，所以充电很快，当P1.2输出为低电平时，二极管反向截止，电容通过电阻RW和R21放电，由于总电阻比较大，所以放电很缓慢，波形如图6中V3所示，从图中可看出，在没有收到返回信号时，比较器输出高电平，如果收到返回信号，比较器便输出低电平，输出波形如图6中Vo所示，通过这种方法就可以消除发射探头对反射回的信号的干扰。

　　电压比较器的输出信号送到基本RS触发器用于产生单片机所需的中断信号。基本RS触发器由与非门组成，同时由单片机进行控制，如图6所示。在发送端发送超声波信号时，P1.2输出高电平，经过反相器后，变为低电平加到触发器的R端，因为没收到反射信号之前，电压比较器输出为高电平，所以基本RS触发器的输入分别为，R=O，S=l，为0态，即Q=0，Q=1，Q的信号加到单片机的中断输入端，因为单片机的中断为下降沿触发，输入为高电平，不产生中断。当发送完毕时，P1.2输出低电平，经反相器，变为高电平送到触发器的R端，没有收到反射回的信号时，电压比较器输出仍为高电平，所以基本RS触发器的 R=“1”，S=1，为保持状态，即Q=1，Q=0，也不产生中断。当接收到反射回的信号时，电压比较器输出低电平，因此，基本RS触发器的输入端 R=“1”，S=0，触发器工作在0态，即Q=O，Q=1.单片机的中断输入端的电平由高电平变为低电平，从而使单片机产生中断。

　　3 单片机外围威廉希尔官方网站 原理图

　　单片机的外围威廉希尔官方网站 图如图7所示，显示威廉希尔官方网站 由单片机控制七段数码管进行显示，采用数字温度传感器DS18820对环境温度进行检测，从而对超声波的传播速度进行温度补偿，提高测量精度。两个按键用于控制测量的开始与停止以及距离与温度显示的切换。

　　4 软件设计

　　软件设计包括三个部分，主程序，定时中断程序和外部中断程序，流程图如图8所示。

　　5 结论

　　本系统由于发射功率和超声波发射探头的原因，测量距离在10cm到500cm之间，在近距离测量和远距离测量时存在误差较大，在50cm和200cm之间测量时精度最好，误差不大于1cm.在本设计中由于超声波发射周期为10个25μs 的方波，因此发射时间为T=250μs，已知常温下声速C为340m/s，可知S=CT/2=250μs/2=8.5cm，因此确认测距盲区为9cm.即当测量距离小于9cm时不能正确测量。