摘要：介紹了利用超聲波傳感器實現(xiàn)的非接觸式距離檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用于汽車倒車時的報警、液位和物位的非接觸式測量，介紹了超聲波傳感器原理及系統(tǒng)各單元的設(shè)計。系統(tǒng)中采用了AT89C2051型單片機作為主控制器。把一種直流電機PWM調(diào)速芯片應(yīng)用到此系統(tǒng)中，使得控制方法簡便，應(yīng)用范圍增強，同時可以利用單片機設(shè)定距離值和輸出控制信號。最終距離用串行方法在數(shù)碼管上顯示出來，可以直觀地查看距離值，以實現(xiàn)測距、顯示、輸出控制信號的功能。
非接觸式的距離測量在工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用機器人視覺系統(tǒng)中對距離的測量，汽車倒車雷達系統(tǒng)及液位、物位的檢測系統(tǒng)等。有鑒于此，設(shè)計了基于超聲波傳感器的測距控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)距離的測量和顯示，并能輸出控制信號及實現(xiàn)和上位機的通信。與以往類似系統(tǒng)不同的是：本設(shè)計采用了一種直流電機PWM調(diào)速芯片作為超聲波發(fā)射驅(qū)動電路。
其優(yōu)點是：電路簡單，易于控制，而且對于不同電壓峰值要求的超聲波傳感器，可以改變其供電電壓值。
顯示部分采用一種串行通訊芯片驅(qū)動數(shù)碼管，以節(jié)約單片機IO口的使用數(shù)量和提高數(shù)碼量，因此，系統(tǒng)應(yīng)用靈活，實用性強，其模塊化設(shè)計可嵌入到不同的系統(tǒng)中。
1 超聲波測距傳感器
超聲波傳感器是一種換能器，它把電能或機械能轉(zhuǎn)換成聲能。本設(shè)計采用壓電式超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的。該傳感器有2個壓電晶片和1個共振板，當其兩極外加脈沖信號，且頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波。如果兩極問不加電壓，當共振板接收到超聲波時，聲波將迫使壓電晶片振動，使機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器。
每個傳感器的中心頻率都存在一定的誤差，在40 kHz左右波動。而且超聲波傳感器發(fā)射波束時存在發(fā)散角問題，一般發(fā)散角都比較大，從而導(dǎo)致了方向性較差。同時，隨著傳播距離的增大，在不同的發(fā)散角上信號衰減的程度也有變化。它在空氣中的發(fā)散角及耗散性如圖1所示。
圖1 發(fā)散角與耗散性
采用反射式超聲波測距的原理是：當單片機控制超聲波傳感器向某一方向發(fā)射波束的同時，單片機內(nèi)部開始計時。在傳播過程中，超聲波遇障礙物后反射回波。傳感器接收到第一個反射波后，停止計時。由于超聲波在空氣中的傳播速度是340 m/s,根據(jù)計時時間及公式S=340 t/2,即可得到發(fā)射點距障礙物的距離S.
2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
超聲波測距系統(tǒng)包括4個部分，即①發(fā)射電路中振蕩器驅(qū)動控制電路；②接收電路中模擬放大、濾波、信號調(diào)制電路；③數(shù)碼管顯示電路；④單片機系統(tǒng)及其串口輸出、控制信號輸出、按鍵輸入部分。其方框圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)原理框圖
3 硬件電路設(shè)計
3.1 超聲波發(fā)射單元
超聲波發(fā)射單元包括振蕩電路和驅(qū)動電路。振蕩電路是由反相器CD4069組成的非對稱式多諧振蕩器，它產(chǎn)生40 kHz的方波脈沖電路如圖3所示。
圖3 振蕩電路
電路中G2輸出的電壓由于 ,的調(diào)節(jié)，可以改變輸入到G1輸入端的相位。當相位達到同相時，G1和G2實現(xiàn)正反饋，G1和G2就成了穩(wěn)定的振蕩器。振蕩周期公式為T=2.2×Rf×C.因為CD4069為CMOS結(jié)構(gòu)，所以邏輯門前的電阻RP為G1的保護電阻。當RP足夠大時，G1的輸入電流可忽略不計。
由于超聲波換能器中心頻率都有偏差，所以Pf采用電位計，可以調(diào)節(jié)到最佳諧振點，這也是不用單片機產(chǎn)生方波的原因。電路中Z1,Z2同時得到相位相反的2路控制脈沖，提供給驅(qū)動電路。
驅(qū)動控制電路如圖4所示。它采用了L293型直流電機PWM調(diào)速芯片，它內(nèi)部的H橋電路可以產(chǎn)生相位相反的兩路脈沖。驅(qū)動電路的直流電源電壓可以改變，以適應(yīng)不同傳感器對電壓的要求。振蕩電路中產(chǎn)生方波的Z1、Z2端，分別接到驅(qū)動電路1N1,IN2端。控制輸出電路中EN端為輸出使能端，它接到單片機的P1.7端口，該端口精確輸出高電平時問來控制發(fā)射方波的個數(shù)。這在設(shè)計上使得控制和方波產(chǎn)生相對獨立，從而使得電路簡單、控制精確、易于調(diào)試。
圖4 驅(qū)動電路
3.2 超聲波接收單元
超聲波接收單元中包括：模擬放大、濾波電路、電平轉(zhuǎn)換電路，如圖5所示。模擬放大器選用高精度儀用放大器LM318作為信號放大與濾波之用，它的單位增益帶寬為15 MHz,超出音頻范圍能夠滿足40 kHz的要求。在放大電路的負反饋回路中接入電容C1構(gòu)成低通濾波器。電容的選擇可由公式。f=1/2πRfC求出，式中f0為采用的超聲波頻率，Rf為第一級的反饋電阻。因為多諧振蕩器中有高頻分量噪聲，所以通過低通濾波器將高頻噪聲濾掉。經(jīng)過2極放大后，通過電容耦合，信號與參考電壓比較產(chǎn)生高低電平，提供給單片機產(chǎn)生中斷。參考電壓設(shè)定為1 V左右，以提高靈敏度。第2個比較器僅起反相作用 .
圖5 接收電路
3.3 數(shù)碼管顯示電路
數(shù)據(jù)顯示采用串行接口LED顯示驅(qū)動管理芯片MC14489,它的輸入端與系統(tǒng)CPU之間只有3條I/0口線相連。這3個端口是：使能端ENBLE、時鐘端CLOCK、數(shù)據(jù)端DATA IN,通過這3個端口寫控制字和數(shù)據(jù)。更新顯示寄存器的內(nèi)容，需要傳送3個字節(jié)的信息，更新配置寄存器的內(nèi)容僅需要傳送一個字節(jié)的信息。這種芯片可以顯示5位數(shù)碼管數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)只用到了4位。驅(qū)動電壓為5 V,亮度調(diào)節(jié)通過 端口與地之間連接的電阻來調(diào)節(jié)，電阻增大亮度減小。顯示電路如圖6所示。
圖6 顯示電路
3.4 單片機系統(tǒng)
發(fā)射的超聲波被調(diào)制成包含40 kHz方波的具有一定時間間隔的矩形波脈沖信號，其發(fā)射、接收脈沖工作時序圖如圖7所示。由單片機AT89C2051的P1.7口控制H橋電路的使能端EN,送出40 kHz的超聲波脈沖信號，其脈沖寬度及脈沖間隔均由軟件控制。脈沖寬度約為125~200us,即在一個調(diào)制脈沖內(nèi)包含5~8個40 kHz的方波。脈沖發(fā)送間隔取決于要求測量的最大距離。若在有效測距范圍內(nèi)有被測物體，則在后一次超聲波束發(fā)出之前應(yīng)當接收到前一次發(fā)射的反射波，否則認為前方無被測物體。因此，按有效測距范圍可以估算出最短的脈沖間隔發(fā)送時間。例如：最大測距范圍為10m時，脈沖間隔時間t:2s/v=2×10/340≈60ms,實際應(yīng)取t≥60 ms.本系統(tǒng)為方便起見，選擇脈沖間隔定時器為65 ms.
圖7 發(fā)射和接收脈沖時序圖
3.5 串口輸出
MC14489可以通過和單片機串口進行通信，當顯示面板離主控制板較遠時，數(shù)據(jù)信號將會衰減，所以可通過串口來傳輸數(shù)據(jù)。
3.6 按鍵輸入
本系統(tǒng)可以設(shè)定距離值，當大于或小于設(shè)定值時將發(fā)出控制信號。P1.5、P1.6輸出高低電平，從而可以控制繼電器等外部設(shè)備。由3個按鍵設(shè)定距離值：S0的作用是進入和退出設(shè)定，S1和S2分別是向上加值和向下減值，每按一次加或減一厘米，由數(shù)碼管輸出顯示。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
該系統(tǒng)軟件采用8051匯編語言編寫，主程序流程圖如圖8所示。AT89C2051單片機有2個外中斷口，分別用于接收回波中斷和按鍵輸人中斷，對應(yīng)2個外中斷子程序。此外，還用到了內(nèi)部中斷定時器， 它用于控制發(fā)送載波脈沖，如圖9所示。 定時器65 ms產(chǎn)生中斷一次，主要是發(fā)送載波脈沖和計數(shù)器清零。外中斷0將在有下降沿觸發(fā)時產(chǎn)生中斷，用于讀取定時器產(chǎn)生的計時值和使標志位置位。外中斷1是按鍵輸人中斷，用于提供比較值來輸出控制信號。S0第一次觸發(fā)為中斷產(chǎn)生信號，再次觸發(fā)則為輸入確定信號。S1和S2按鍵是輸入值增加和減少按鍵，它們通過判斷對應(yīng)的10口狀態(tài)來確定是否輸入。
圖8 主程序流程圖
圖9 各中斷子程序流程圖
5 測試結(jié)果與分析
超聲波測距系統(tǒng)調(diào)試完成后，對系統(tǒng)進行了測試。在超聲波換能器與較大平面（如墻壁面）法線方向一致時，量程為0.04-10 m,測距盲區(qū)為4Cm,分辨率為0.01 m,最大測量誤差≤0.02 m.因為超聲波具有一定發(fā)散角，所以當在正前方和斜前方都有物體時，會以距發(fā)射器最近的物體作為探測目標。
誤差分析：限制該系統(tǒng)最大可測距離的因素包括：超聲波的幅度、反射面的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。測距誤差主要來源于以下幾個方面：①超聲波波束對探測目標的入射角的影響；②超聲波回波聲強與待測距離的遠近有直接關(guān)系；③超聲波傳播速度對測距是有影響的。穩(wěn)定準確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，傳播媒質(zhì)的特性，如溫度、壓力、密度對聲速都將產(chǎn)生影響。因此，為了準確地計算距離，應(yīng)對聲速加以修正，系統(tǒng)程序中采用了軟件補償措施。
6 結(jié)束語
介紹了一種超聲波測距系統(tǒng)，采用單片機及專門設(shè)計的驅(qū)動和接收電路，通過超聲波換能器，可以測量和顯示0.04-10 m內(nèi)的物體距離，分辨率可達到O.O1 m.這種測距系統(tǒng)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(shè)計，可以嵌入到其他系統(tǒng)中。
