0 引言

　　超聲波是一種頻率在20KHz以上的機(jī)械波,，在空氣中的傳播速度約為340 m／s(20°C時(shí))。超聲波可由超聲波傳感器產(chǎn)生,，常用的超聲波傳感器兩大類：一類是采用電氣方式產(chǎn)生超聲波,，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器,。由于超聲波具有易于定向發(fā)射,，方向性好，強(qiáng)度好控制,，對(duì)色彩,、光照度不敏感，反射率高等特點(diǎn),，因此被廣泛應(yīng)用于無損探傷,，距離測量、距離開關(guān),、汽車倒車防撞,、智能機(jī)器人等領(lǐng)域。

　　1 系統(tǒng)原理框圖

　　本設(shè)計(jì)的整體框圖如圖1所示,，主要由超聲波發(fā)射,，超聲波接收與信號(hào)轉(zhuǎn)換，按鍵顯示電路與溫度傳感器電路組成,。超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波,，從而測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差T，然后求出距離S=CT／2,，式中的C為超聲波波速,。在常溫下，空氣中的聲速約為340m／s,。由于超聲波也是一種聲波,，其傳播速度C與溫度有關(guān)，在使用時(shí)，如果溫度變化不大,，則可認(rèn)為聲速是基本不變的,。因本系統(tǒng)測距精度要求很高，所以通過對(duì)溫度的檢測對(duì)超聲波的傳播速度加以校正,。超聲波傳播速度確定后,，只要測得超聲波往返的時(shí)間，如圖2所示,，即可求得距離,。這就是超聲波測距系統(tǒng)的基本原理。

　　2 超聲波信號(hào)的發(fā)射與接收電路

　　發(fā)射部分電路如圖3所示,，主要由脈沖調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路,，隔離電路以及驅(qū)動(dòng)電路組成，用來為超聲波傳感器提供發(fā)送信號(hào),。脈沖調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路中通過單片機(jī)對(duì) 555定的復(fù)位(RESET)端的控制,，使555定時(shí)器分時(shí)工作從而生產(chǎn)生脈沖頻率為40KHz，周期為30ms的脈沖調(diào)制信號(hào),，信號(hào)波形如圖2所示,，本設(shè)計(jì)中一個(gè)周期內(nèi)發(fā)送10個(gè)脈沖信號(hào)。隔離電路主要是由兩個(gè)與非門組成,，對(duì)輸出級(jí)與脈沖產(chǎn)生電路之間進(jìn)行隔離,。輸出級(jí)由兩個(gè)通用型集成運(yùn)放TL084CN 組成，由于超聲波傳感器的發(fā)射距離與其兩端所加的電壓成正比,，因此要求電路要產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動(dòng)電壓,，其基本原理就是一個(gè)比較電路，當(dāng)輸入信號(hào) Vi>2．5V時(shí),，運(yùn)放A的輸出電壓VA=+12V,，運(yùn)放B的輸出電壓VB=-12V，當(dāng)輸入信號(hào)Vi<2．5V時(shí),，運(yùn)放A的輸出電壓 VA="-12V",，運(yùn)放B的輸出電壓VB=+12V，所以在超聲傳感器兩端得到兩個(gè)極性完全相反的對(duì)稱波形,，即VB=-VA,，所以加在超聲波傳感器兩端的電壓V=VA-VB=2VA，其兩端的電壓可達(dá)到24V,，從而保證超聲波能夠發(fā)送較遠(yuǎn)的距離，提高了測量量程,。

　　接收部分的電路由放大電路,，帶通濾波電路以及信號(hào)變換電路組成。放大電路和帶通濾波電路如圖4所示。由于超聲波信號(hào)在空氣中傳播時(shí)受到很大程度的衰減,，所以反射回的超聲波信號(hào)非常的微弱,，不能直接送到后級(jí)電路進(jìn)行處理，必須將信號(hào)放大到足夠的幅度,，才能使后級(jí)電路對(duì)它進(jìn)行正確的處理,。前置放大電路是由集成運(yùn)放組成的自舉式同相交流放大電路，具有很高的輸入阻抗,，C5,，C6，C7為隔直電容,，R5,，R6，R7為偏置電阻,，用來設(shè)置放大器的靜態(tài)工作點(diǎn),。帶通濾波器采用二階RC有源濾波器，用于消除超聲波傳播過程中受到的干擾信號(hào)的影響,。該電路為二階壓控電壓源帶通濾波電路,，圖中RW，C10組成低通濾波網(wǎng)絡(luò),，C9和R12組成高通濾波網(wǎng)絡(luò),，兩者串聯(lián)組成了帶通濾波電路。集成運(yùn)放和電阻R9,，RlO一起組成同相比例放大器,，為了使電路能夠穩(wěn)定工作，必須保證同相比例放大器的增益AV<3,，帶通濾波器的中心頻率ω0=40kHz,，電路參數(shù)可通過AV=1+R9／R10和ω0=1／R12C2(1／RW+1／R13)確定。經(jīng)過帶通濾波后的信號(hào)經(jīng)專用儀表放大器AD620進(jìn)行放大,，然后送到信號(hào)變換電路,，信號(hào)變換電路主要將接收到的包絡(luò)信號(hào)變換成單片機(jī)的中斷觸發(fā)信號(hào)。由包絡(luò)檢波電路,，電壓比較器和RS觸發(fā)器組成,。包絡(luò)檢波電路由二極管D3，電阻R19,，和電容C13組成,。經(jīng)過包絡(luò)檢波得到的信號(hào)如圖6中的V2所示。電壓比較器由集成運(yùn)放和電容電阻組成,，為了消除發(fā)送探頭的干擾信號(hào),，我們將單片機(jī)P1．2輸出的信號(hào)加到電壓比較器的同相端,，它的波形是250μs的高電平，和29750μs低電平的方波,，通過二極管D3將P1.2和比較器的正向端隔離,。當(dāng)P1．2輸出高電平時(shí)，通過二極管對(duì)電容C14充電,，由于二極管是正向?qū)ǖ?，所以充電很快，?dāng)P1．2輸出為低電平時(shí),，二極管反向截止,，電容通過電阻RW和R21放電，由于總電阻比較大,，所以放電很緩慢,，波形如圖6中V3所示，從圖中可看出,，在沒有收到返回信號(hào)時(shí),，比較器輸出高電平，如果收到返回信號(hào),，比較器便輸出低電平,，輸出波形如圖6中Vo所示，通過這種方法就可以消除發(fā)射探頭對(duì)反射回的信號(hào)的干擾,。

　　電壓比較器的輸出信號(hào)送到基本RS觸發(fā)器用于產(chǎn)生單片機(jī)所需的中斷信號(hào),。基本RS觸發(fā)器由與非門組成,，同時(shí)由單片機(jī)進(jìn)行控制,，如圖6所示。在發(fā)送端發(fā)送超聲波信號(hào)時(shí),，P1．2輸出高電平,，經(jīng)過反相器后，變?yōu)榈碗娖郊拥接|發(fā)器的R端,，因?yàn)闆]收到反射信號(hào)之前,，電壓比較器輸出為高電平，所以基本RS觸發(fā)器的輸入分別為,，R=O,，S=l，為0態(tài),，即Q=0,，Q=1，Q的信號(hào)加到單片機(jī)的中斷輸入端,，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的中斷為下降沿觸發(fā),，輸入為高電平,，不產(chǎn)生中斷。當(dāng)發(fā)送完畢時(shí),，P1．2輸出低電平，經(jīng)反相器,，變?yōu)楦唠娖剿偷接|發(fā)器的R端,，沒有收到反射回的信號(hào)時(shí)，電壓比較器輸出仍為高電平,，所以基本RS觸發(fā)器的 R="1",，S=1，為保持狀態(tài),，即Q=1,，Q=0，也不產(chǎn)生中斷,。當(dāng)接收到反射回的信號(hào)時(shí),，電壓比較器輸出低電平，因此,，基本RS觸發(fā)器的輸入端 R="1",，S=0，觸發(fā)器工作在0態(tài),，即Q=O,，Q=1。單片機(jī)的中斷輸入端的電平由高電平變?yōu)榈碗娖?，從而使單片機(jī)產(chǎn)生中斷,。

　　單片機(jī)的外圍電路圖如圖7所示，顯示電路由單片機(jī)控制七段數(shù)碼管進(jìn)行顯示,，采用數(shù)字溫度傳感器DS18820對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測,，從而對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高測量精度,。兩個(gè)按鍵用于控制測量的開始與停止以及距離與溫度顯示的切換,。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分，主程序,，定時(shí)中斷程序和外部中斷程序,，流程圖如圖7所示。

　　5 結(jié)論

　　本系統(tǒng)由于發(fā)射功率和超聲波發(fā)射探頭的原因,，測量距離在10cm到500cm之間,，在近距離測量和遠(yuǎn)距離測量時(shí)存在誤差較大，在50cm和200cm之間測量時(shí)精度最好,，誤差不大于1cm,。在本設(shè)計(jì)中由于超聲波發(fā)射周期為10個(gè)25μs 的方波,，因此發(fā)射時(shí)間為T=250μs，已知常溫下聲速C為340m／s,，可知S=CT／2=250μs／2=8．5cm,，因此確認(rèn)測距盲區(qū)為9cm。即當(dāng)測量距離小于9cm時(shí)不能正確測量,。