引言
隨著電子技術的發(fā)展,，測距技術越來越先進，從采用卷尺人工進行丈量,，到用水準儀和三角理論進行測量計算,，甚至采用激光測距等，這些測量手段因精度低,、操作繁瑣或成本高而不盡人意,。隨著超聲波的應用日益廣泛，超聲測距在測試領域中得到應用,，該類產品如進口的超聲波液位計,、超聲波測位儀等性能雖好,，但價格昂貴。目前,，超聲波傳感器技術已廣泛用于工業(yè),、國防、交通,、生物醫(yī)療和家庭領域,。超聲波傳感器技術與信息技術、集成工藝相結合,，為開發(fā)智能化,、高靈敏度的超聲波儀器設備創(chuàng)造了有利條件。鑒于此,，運用嵌入式單片機技術,、結合CAN總線通信協(xié)議標準、設計一種嵌入式超聲波測距儀具有很大的發(fā)展前景,。它可以做到成本低,、外圍電路簡單、功能齊全,、能夠滿足一定的測量要求,。
1 超聲波傳感器
1.1 典型結構
超聲波傳感器是利用超聲波的特性而研制的傳感器，超聲波傳感器的典型結構如圖1所示,。它是把成正方形的兩個壓電晶片（亦稱雙晶振子）按照相反的極性粘貼在一起,，再引出兩個電極。壓電晶片上面有金屬震動板和圓錐形振子,。圓錐形振子具有很強的方向性,，便于發(fā)送和接收超聲波。超聲波傳感器采用金屬或塑料外殼,，其頂部有屏蔽柵,。
1.2 測距原理
超聲波具有頻率較高，沿直線傳播,、方向性好,、繞射小、穿透力強,、傳播速度慢（約340m/s,與聲速相同）等特點,。
超聲波對固體和液體的穿透能力強，尤其對于在陽光下不透明的固體,，可以穿透幾十m的深度,。超聲波遇到雜質或分界面時會產生反射波，利用這一特性可構成超聲波探傷儀或測距儀,。超聲波遇到移動物體時會產生多普勒效應（DopplerEffect）,，使接收到的頻率發(fā)生變化,，由此可制成多普勒測距系統(tǒng)。
超聲波測距原理是超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波脈沖,，經媒質（空氣）傳到物體表面,，反射后通過媒質（空氣）傳到接收探頭，測出超聲脈沖從發(fā)射到接收所需的時間,，根據媒質中的聲速,，求得從探頭到物體表面之間的距離。設探頭到物體表面的距離為L,超聲在空氣中的傳播速為v,從發(fā)射到接收所需的傳播時間為t,則有：L=vt/2,。由此可見,，被測距離L與傳播時間之間具有確定的函數關系，只要能測出時間t,即可求出距離L,通過軟件實現直接在顯示器上顯示L的值,。
2 硬件電路設計
2.1 整體方案設計
根據所給的設計要求,，即具有數字顯示、鍵盤輸入,、超聲波發(fā)射與接收,、能通過CAN總線與上位機進行通信、異常情況自動報警等功能,?？梢詷嫾艹龃饲度胧匠暡y距儀的整體方案設計框圖如圖2所示。從圖2中可以看出整體硬件電路設計主要包括：微處理器AT89C51部分,、電源電路部分,、超聲波發(fā)射與接收電路部分、鍵盤輸入部分,、CAN總線通信部分、LED顯示部分?，F將重點介紹超聲波發(fā)射,、接收電路和CAN總線通信電路的具體設計。
2.2 超聲波測距電路
超聲波測距電路主要包括兩個部分：超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路,，具體的電路設計如圖3所示,。圖2中上半部分就是超聲波發(fā)射電路，微處理器AT89C51通過編程在端口P16產生一個40kHz的超聲波信號,，經過兩個74LS14非門將信號驅動整形,，再由三極管Q9對其進行放大，最后經過變壓器T1送到超聲波傳感器CSB-T40,這樣就可以通過超聲波傳感器CSB-T40發(fā)出相應的超聲波信號,。而圖3中的下半部分就是超聲波接收電路,，超聲波信號通過障礙物發(fā)射到超聲波傳感器CSB-R40后，產生一定的電信號,，電信號通過集成塊BX1490放大后送到了2個74LS14非門電路整形,，最后進入微處理器AT89C51的P17端口,。這樣就完成了1次超聲波測距的掃描過程，它可以通過程序來控制計數器,，將計數器的數據轉換為相應的時間,，再用時間乘以超聲波的傳播速度后除以2,既可以得到障礙物與超聲波傳感器之間的距離。
2.3 CAN總線通信電路
考慮到現在的智能測試設備日益趨于網絡化,，則將CAN總線通信功能也設計進了此嵌入式超聲波測距儀中,，CAN總線通信電路系統(tǒng)主要有AT89C51微控制器、獨立CAN通信控制器SJA1000,、CAN總線驅動器PCA82C250及復位電路IMP708組成,。CAN總線應用節(jié)點具體電路設計如下圖4所示。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力,，設計在SJA1000和CAN總線驅動器PCA82C250之間增加了光電隔離器6N137,。當微處理器AT89C51將測距結果數據通過P0口發(fā)送到CAN總線控制器SJA1000,由SJA1000將并行數據轉換為串行數據從端口TX0發(fā)出，經過光電隔離器6N137后到達CAN總線驅動器PCA82C250,最后將數據發(fā)送到CAN總線上,。相反,，來自CAN總線的數據也可以經過相應電路到達微處理器。這樣就可以實現測距儀與上位機的通信功能,。
3 程序設計
3.1 主程序設計
系統(tǒng)主程序主要包括系統(tǒng)的啟動后對系統(tǒng)的初始化,、超聲波發(fā)射與接收、中斷管理,、計時程序,、測距計算、結果顯示,、CAN通信,、報警等其他子程序組成。根據以上超聲波測距儀的工作原理描述,，系統(tǒng)主程序的流程圖設計如圖5所示,。在主程序初始化后就進入超聲波信號發(fā)送程序，即利用程序產生超聲波信號由微處理器的P16端口送出,，此時系統(tǒng)進入計時狀態(tài),，同時檢測P17端口是否能接收到超聲波的回波信號，但檢測到回波信號就關閉外部中斷進入計算距離子程序,，接下來進行是否報警驗證和CAN通信子程序,，最后打開外部中斷完成一次測距掃描過程，即主程序結束,。
3.2 CAN通信子程序設計
CAN通信子程序主要包括3個部分：初始化子程序,、發(fā)送子程序、接收子程序。在初始化子程序中主要是對系統(tǒng)的一些驗收碼寄存器,、定時寄存器,、輸出控制寄存器、定時寄存器,、工作模式寄存器,、中斷定時同步等參數進行設置。CAN通信中的發(fā)送與接收子程序的程序流程圖設計如圖6所示,。在發(fā)送子程序中主要是讀取狀態(tài)寄存器位SR.2,看看SR.2是否為1,如果該位為1則進行相應的發(fā)送準備工作,，同時將命令寄存器CMR.0置請求發(fā)送，發(fā)送完畢后就自動返回,。而在接收子程序,，先要讀狀態(tài)寄存器位SR.0,看看是否允許將緩沖區(qū)數據讀取到CPU的RAM中，讀取完畢后就釋放接收緩沖區(qū),，再看看SR.1是否為1,為1則對SR.1進行清除并作溢出處理,，否則就讀取SR.6與SR.7并對其作計時器警告及相應處理。
4 結語
所設計的嵌入式超聲波測距儀具有結構簡單,、價格便宜,、性能可靠，測量和顯示障礙物距離的范圍為0.05～10m,它適用于對物體表面和液體表面的測量,，可以作為一種小型的測距儀器使用于汽車倒車監(jiān)視與報警裝置,，也可以作為一種嵌入式設備嵌入到其他大型的工業(yè)檢測與控制系統(tǒng)中。