為了克服一些傳統(tǒng)距離測量方式在某些特殊場合無法測量的缺陷，設計以P89LPC932為核心，利用超聲波傳感器實現了無接觸式空氣測距的方法，充分考慮聲速與溫度的密切關系，進行溫度補償，進一步獲得測距最遠700 cm左右，精度最優(yōu)達到1％。該設計具有較強的抗干擾能力，安裝簡單，體積小，功耗低，便于嵌入其他系統(tǒng)的特點。
0 引言
一些傳統(tǒng)的距離測量方式在某些特殊場合存在不可克服的缺陷。例如，液面測量就是一種距離測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電或脈沖來檢測液面，電極長時間浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。利用超聲波測量距離可以解決這些問題，因此超聲波測量距離技術在工業(yè)控制、勘探測量、機器人定位和安全防范等領域得到了廣泛應用。所謂超聲波是指頻率高于20 kHz的機械波，具有強度大、方向性好等特點。其一般由壓電效應或磁致伸縮效應產生。
本文設計的超聲波測距儀用三種測距模式選擇跳線J1(短距、中距、可調距)。其整體方案為當按下測量鍵，探頭就發(fā)送超聲波，當超聲波遇到障礙物時將產生回波信號；系統(tǒng)將探頭接收到的回波信號放大送入控制器；溫度測量電路測出溫度，通過計算得到所測距離，顯示在數碼顯示器上，后4位顯示距離，前2位顯示溫度。
1 超聲波測距儀基本原理
利用超聲波測量距離的原理如圖1示所示，簡單描述為：定期發(fā)送的超聲波遭遇到障礙物時發(fā)生反射，反射波經由接收器接收并轉化為電信號，這樣只要測出發(fā)送和接收的時間差△t，然后按照式(1)即可求出距離：
式中：C為超聲波在空氣中的傳播速度，0℃時C為331 m／s，25℃時C為347 m／s，其與環(huán)境溫度T(單位：℃)的關系如式(2)：
由此可見，聲速與溫度有密切關系。在應用中，如果溫度變化不大，并且無特殊精度要求，可認為聲速是基本不變的，否則，必須進行溫度補償。溫度補償方法為每次先按照式(2)計算當時聲速C，然后再按照式(1)計算距離。
另外，從圖1還可以看出，由于超聲波利用接收反射波來進行距離的計算，因而不可避免地存在發(fā)射與反射之間的夾角，其大小為2a。當a很小時，可直接按式(1)進行計算得到距離；當a較大時，則必須進行距離修正，修正公式如式(3)：
2 系統(tǒng)硬件
超聲波測距儀主要包括：溫度檢測電路，超聲波發(fā)射及控制電路，超聲波接收及信號處理電路，顯示電路，微處理和其輔助電路以及RS 232通信接口電路，其結構框圖如圖2所示。
2．1 超聲波發(fā)射及控制電路
超聲波探頭的型號選用CSB40T，利用軟件產生40 kHz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅動器，經驅動器驅動后推動探頭產生超聲波，如圖3所示。從圖中可看出，40 kHz超聲波信號是利用555時基電路震蕩產生的。震蕩頻率計算式如下：
將R10設計為可調電阻的目的是為了調節(jié)信號頻率，使之與換能器的40 kHz固有頻率一致。為保證555時基具有足夠的驅動能力，宜采用+12 V電源。CNT為超聲波發(fā)射控制信號，由微處理器進行控制。
2．2 超聲波接收器的設計
超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應的型號，這里采用CSB 40R。由于經探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經放大電路放大。正弦波信號不能直接被微處理器接收，因此必須進行波形變化。如圖4所示，前級采用NE5532構成10 000倍放大器，對接收信號進行放大；后級采用LM311比較器對接收信號進行調整，LM311的3管腳的輸入為比較電壓，可由J1跳線選擇不同的比較電壓以選擇不同的測距模式，如圖5所示。
模組提供了測距模式選擇跳線J1，可以選擇短距測量模式、中距測量模式或距離可調模式。跳線選擇LOW時為近距測量模式，選擇HIGH時為中距測量模式；選擇SET時為距離可調模式。
2．3 溫度測量電路
當環(huán)境溫度變化時，超聲波波速會隨之變化，所以要進行修正。因而系統(tǒng)中設置了一個溫度檢測電路，實時采集溫度，對波速進行修正。測溫電路使用的傳感器為DS1820，如圖6所示。具有9，10，11，12位轉換精度，未編程時默認精度為12位，測量誤差一般為0．5℃，軟件處理后可達0．1℃。
3 系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)流程圖如圖7所示。
微處理器P89LPC932先把P1．6置0，啟動超聲波探頭發(fā)射超聲波，同時啟動內部定時器T0開始計時。然后檢測溫度并進行溫度補償，當超聲波信號遇到障礙物時信號立刻返回，微處理器不停掃描P2．7引腳，如果P2．7接收的信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，表明信號已經返回，微處理器進入中斷關閉定時器。再把定時器中的數據經過換算就可以得出所測距離。
4 結語
本系統(tǒng)利用超聲波傳感器實現無接觸式空氣測距，并充分考慮到測量環(huán)境溫度對超聲波傳遞速度的影響，通過溫度補償的方法對速度予以校正，并具有三種模式跳線選擇，因此具有測量準確度較高、抗干擾能力強、反應速度快等特點。實驗表明，本測距儀實測精度最優(yōu)達到1％，最遠測距為700 cm左右。