0 引言
超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械震蕩，它是由與介質(zhì)相接觸的震蕩源所引起的，其頻率在20kHz以上。由于超聲波的速度相對于光速要小得多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，因而利用超聲波測距在很多距離探測應(yīng)用中有很重要的用途，包括無損檢測、過程測量、機(jī)器人測量和定位，以及流體液面高度測量等。利用單片機(jī)控制超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于實(shí)現(xiàn)，并且測量精度高。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
超聲波測距的最遠(yuǎn)距離和分辨能力，不僅需要良好的換能器，也需要合理的驅(qū)動(dòng)電路及回波探測電路。對發(fā)射而言，為了使電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效益最大，換能器必須工作在它的共振頻率處。對接收電路而言，為了使機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換效率最大，最佳工作點(diǎn)必須取在反共振頻率處，在傳感器系統(tǒng)中，發(fā)射部分的共振頻率要與接收部分的反共振頻率相匹配。同時(shí)，溫度對聲速有著較大的影響，溫度補(bǔ)償無疑是減少誤差的很好方法。本設(shè)計(jì)選用T40-16T／R超聲波傳感器，設(shè)計(jì)了一種以AT89C2051單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)測量精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，在硬件上增加了溫度傳感器測溫電路，采取聲速預(yù)置和媒質(zhì)溫度測量相結(jié)合的辦法對聲速進(jìn)行修正，降低了溫度變化對測距精度的影響。有力提高了超聲波測距系統(tǒng)的測量精度。
設(shè)計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊、溫度測量補(bǔ)償模塊等五個(gè)模塊組成，組成框圖如圖1所示。
超聲波發(fā)射電路由單片機(jī)輸出端直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送，超聲波接收電路輸出端與單片機(jī)相連接，單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。單片機(jī)在TO時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間t，由此便可計(jì)算出距離。
2．1 超聲波測距單片機(jī)控制系統(tǒng)
單片機(jī)AT89C2051采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)P3．5端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)，P3．6端口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡單實(shí)用的3位共陽LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機(jī)的P1口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的P3．2、P3．1、P3．0口，數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用PNP三極管S9012三極管驅(qū)動(dòng)。而溫度測量采用簡單的DS18B20溫度傳感器，測量結(jié)果送入P3．4口，利用公式算出聲速。
2．2 超聲波發(fā)射、接收電路
超聲波發(fā)射、接收電路如圖2所示。超聲波發(fā)射電路由電阻R2及超聲波發(fā)送頭T40組成；接收電路由BG1、BG2X組成的兩組三級(jí)管放大電路組成；檢波電路、比較整形電路由C7、D1、D2及BG3組成。
40kHz的方波由AT89C2051單片機(jī)的P3．5驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，經(jīng)反射后由超聲波接收頭接收到40kHz的正弦波，由于聲波在空氣中傳播時(shí)衰減，所以接收到的波形幅值較低，經(jīng)接收電路放大、整形，最后輸出一負(fù)跳變，輸入單片機(jī)的P3．7腳。由于單片機(jī)系統(tǒng)的晶振為12M晶振，所以只能產(chǎn)生半周期為12μs或13μs的方波信號(hào)，頻率分別為41．67kHz和38．46kHz。本系統(tǒng)在編程時(shí)選用了后者。接收到的信號(hào)加到BG1、BG2組成的兩級(jí)放大器上進(jìn)行放大。每級(jí)放大器的放大倍數(shù)為70倍。放大的信號(hào)通過檢波電路得到解調(diào)后的信號(hào)。這里使用的是IN4148檢波二極管，輸出的直流信號(hào)即兩二極管之間電容電壓。該接收電路結(jié)構(gòu)簡單，性能較好，制作難度小。
2．3 溫度測量補(bǔ)償電路
在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是334m／s，但其傳播速度受空氣中溫度、濕度等因素的影響，其中受溫度影響較大，如溫度每升高1℃，聲速就會(huì)增加約0．6m／s。因此在相同的間隔測量距離，由于波的傳播時(shí)間是相同的，不同溫度下的聲速不同，所以最終造成測量出來的距離不相等，在距離測量精度要求很高的情況下，必須要對溫度進(jìn)行測量和補(bǔ)償，以避免溫度對測量精度的影響。本系統(tǒng)選用DS18B20溫度傳感器作為溫度測量、誤差補(bǔ)償裝置，與單片機(jī)交換信息僅需要一根I／O口線，其供電電源可來源于單片機(jī)I／O口數(shù)據(jù)線，而無需額外電源。不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關(guān)系如下：
v=331．4+0．61T (1)
式中，T為實(shí)際溫度(℃)，v為當(dāng)前環(huán)境下聲速，單位為m／s。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)部分采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、發(fā)射子程序、接收子程序、中斷子程序、溫度測量等組成。超聲波測距的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算(計(jì)算距離時(shí))，又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間(超聲波測距時(shí))，所以控制程序采用C語言編程。主程序完成初始化工作、超聲波發(fā)射和接收順序的控制、距離上下限超限報(bào)警。定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成超聲波回波接收，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。
主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)定時(shí)器0為計(jì)數(shù)，設(shè)定時(shí)器1定時(shí)。置位總中斷允許位EA。進(jìn)行主程序后，進(jìn)行定時(shí)測距判斷，當(dāng)測距標(biāo)志位c1=1，即進(jìn)行測量一次，程序設(shè)計(jì)中，超聲波測距頻度是2次／秒。測距間隔中，整個(gè)程序主要進(jìn)行循環(huán)顯示測量結(jié)果。當(dāng)調(diào)用超聲波測距子程序后，首先由單片機(jī)產(chǎn)生6～8個(gè)頻率為38．46kHz超聲波脈沖，加載至超聲波發(fā)送頭上。超聲波頭發(fā)送完超聲波后，立即啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器T0進(jìn)行計(jì)時(shí)，為了避免超聲波從發(fā)射頭直接傳送到接收頭引起的直射波觸發(fā)，這時(shí)，單片機(jī)需要延時(shí)約1．5～2ms時(shí)間(這也就是超聲波測距儀會(huì)有一個(gè)最小可測距離的原因，稱之為盲區(qū)值)后，才啟動(dòng)對單片機(jī)P3．7腳的電平判斷程序。當(dāng)檢測到P3．7腳的電平由高轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，立即停止T0計(jì)時(shí)。
當(dāng)停止計(jì)時(shí)時(shí)，立刻啟動(dòng)測溫程序，通過對溫度的讀取，算得此時(shí)聲速。由于采用單片機(jī)采用的是12MHz的晶振，計(jì)時(shí)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1μs，當(dāng)超聲波測距子程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)(即超聲波來回所用的時(shí)間)計(jì)算，即可得被測物體與測距儀之間的距離。測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示約0．5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。我們知道，溫度對聲速的影響是很大的，因而應(yīng)該先測量溫度，再計(jì)算出此溫度下的聲速。
4 調(diào)試及數(shù)據(jù)分析
系統(tǒng)組裝調(diào)試時(shí)先焊接各個(gè)模塊，再進(jìn)行模塊的單獨(dú)測試，原件安裝完畢后，將寫好程序的AT89C2051機(jī)裝到測距板上，通電后將測距板的超聲波頭對著墻面往復(fù)移動(dòng)，觀察數(shù)碼管在測量范圍內(nèi)能否正常顯示。超聲波發(fā)送功率較大時(shí)，測量距離遠(yuǎn)，則相應(yīng)的下限值(盲區(qū))應(yīng)設(shè)置為較高值。
系統(tǒng)測距實(shí)驗(yàn)時(shí)在不同的實(shí)測溫度下，整個(gè)系統(tǒng)在11個(gè)特定的距離都測量7次，共計(jì)77次測量。每組7個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和最小值，再求其平均值，用來作為最終的測量數(shù)據(jù)。
由圖4可見，不同的實(shí)測溫度下，在30～300cm范圍內(nèi)測量線和實(shí)際線幾乎完全重合，此時(shí)測量的精確度最高。所以本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可測距離為28～400cm，但是最佳測量距離為30～250cm。
5 結(jié)論
本設(shè)計(jì)完成的測距系統(tǒng)進(jìn)行了有效的溫度補(bǔ)償，測量精度可達(dá)0．01m，而且測量結(jié)果清晰穩(wěn)定，響應(yīng)時(shí)間短，0．5s刷新一次數(shù)據(jù)，測量的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性好。本系統(tǒng)可在做細(xì)微調(diào)整、改進(jìn)后用于多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，比如簡單的移動(dòng)機(jī)器人、汽車防碰撞等。