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(shè)計(jì)以P89LPC932為核心，利用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)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(guān)系，進(jìn)行溫度補(bǔ)償，進(jìn)一步獲得測距最遠(yuǎn)700 cm左右，精度最優(yōu)達(dá)到1％。該設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)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(diǎn)。
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(shí)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(shù)在工業(yè)控制、勘探測量、機(jī)器人定位和安全防范等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。所謂超聲波是指頻率高于20 kHz的機(jī)械波，具有強(qiáng)度大、方向性好等特點(diǎn)。其一般由壓電效應(yīng)或磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生。
本文設(shè)計(jì)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(diào)距)。其整體方案為當(dāng)按下測量鍵，探頭就發(fā)送超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)將產(chǎn)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(jì)算得到所測距離，顯示在數(shù)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(shí)發(fā)生反射，反射波經(jīng)由接收器接收并轉(zhuǎn)化為電信號，這樣只要測出發(fā)送和接收的時(shí)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(shí)C為331 m／s，25℃時(shí)C為347 m／s，其與環(huán)境溫度T(單位：℃)的關(guān)系如式(2)：
由此可見，聲速與溫度有密切關(guān)系。在應(yīng)用中，如果溫度變化不大，并且無特殊精度要求，可認(rèn)為聲速是基本不變的，否則，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償方法為每次先按照式(2)計(jì)算當(dāng)時(shí)聲速C，然后再按照式(1)計(jì)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(jìn)行距離的計(jì)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(dāng)a很小時(shí)，可直接按式(1)進(jìn)行計(jì)算得到距離；當(dāng)a較大時(shí)，則必須進(jìn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生40 kHz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)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(shí)基電路震蕩產(chǎn)生的。震蕩頻率計(jì)算式如下：
將R10設(shè)計(jì)為可調(diào)電阻的目的是為了調(diào)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(shí)基具有足夠的驅(qū)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(jìn)行控制。
2．2 超聲波接收器的設(shè)計(jì)
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(yīng)的型號，這里采用CSB 40R。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經(jīng)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(jìn)行波形變化。如圖4所示，前級采用NE5532構(gòu)成10 000倍放大器，對接收信號進(jìn)行放大；后級采用LM311比較器對接收信號進(jìn)行調(diào)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(diào)模式。跳線選擇LOW時(shí)為近距測量模式，選擇HIGH時(shí)為中距測量模式；選擇SET時(shí)為距離可調(diào)模式。
2．3 溫度測量電路
當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，超聲波波速會隨之變化，所以要進(jìn)行修正。因而系統(tǒng)中設(shè)置了一個(gè)溫度檢測電路，實(shí)時(shí)采集溫度，對波速進(jìn)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(zhuǎn)換精度，未編程時(shí)默認(rèn)精度為12位，測量誤差一般為0．5℃，軟件處理后可達(dá)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(shí)啟動內(nèi)部定時(shí)器T0開始計(jì)時(shí)。然后檢測溫度并進(jìn)行溫度補(bǔ)償，當(dāng)超聲波信號遇到障礙物時(shí)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?jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時(shí)器。再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可以得出所測距離。
4 結(jié)語
本系統(tǒng)利用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)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(bǔ)償?shù)姆椒▽λ俣扔枰孕Ｕ?，并具有三種模式跳線選擇，因此具有測量準(zhǔn)確度較高、抗干擾能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，本測距儀實(shí)測精度最優(yōu)達(dá)到1％，最遠(yuǎn)測距為700 cm左右。