高精度超声波测距系统的设计与实现

引言

在工程实践中，超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，例如：距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。

超声波测距的基本原理

超声波发生器在某一时刻发出超声波信号，遇到被测物体后反射回来，被超声波接收器接收到。只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间，知道在介质中的传播速度，就可以计算出距被测物体的距离：

d=s/2=(vt)/2 （1）

其中d为被测物到测距仪之间的距离，s为超声波往返通过的路程，v为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发射到接收所用的时间。为了提高精度，需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系：

v=331.4+0.61T （2）

式中，T为实际温度(℃)，v的单位为m/s。

　　压电式超声波传感器的原理

目前，超声波传感器大致可以分为两类：一类是用电气方式产生的超声波，一类是用机械方式产生的超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。在工程中，目前较为常用的是压电式超声波传感器。

压电式超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。压电式超声波发生器的内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，且其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时即为超声波接收器。

反射式超声波测距仪的硬件电路设计

本系统硬件电路由单片机最小系统、温度补偿电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路构成，如图1所示。

本超声波测距仪的具体工作过程如下，在单片机产生复位信号后，由MC9S12DG128B产生一个控制信号，控制外围电路产生40kHz的超声波，经整形放大后加到超声波换能器发射出频率为40kHz的超声波。同时，计数MC9S12DG128B内部的定时器，测量超声波信号从发出到接收所花的时间，并把经超声波换能器R接收到的超声波信号放大、滤波、整形，并作为接收信号来启动定时器的输入捕捉功能，完成一次超声波测距的时间操作。同时，由温度传感器DS18B20测得当前的环境温度，读入单片机，然后经其处理，在液晶显示屏上显示相应的测量值以及当前温度。

　　微控制器MC9S12DG128B

MC9S12DG128B是飞思卡尔公司推出的S12控制器中的一款16位微控制器。其集成度高，片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等，在FLASH存储控制及加密方面有较强的功能。

MC9S12DG128B微控制器采用增强型16位S12 CPU，片内总线时钟频率最高可达25MHz；片内资源包括8kB RAM、128kB FLASH、2kB EEPROM、SCI、SPI及PWM串行接口模块；PWM模块可设置成4路8位或2路16位，可宽范围选择时钟频率；它还提供2个8路10位精度A/D转换器、控制器局域网CAN和增强型捕捉定时器，并支持背景调试模式（BDM）。

　　超声波的发射电路

超声波发射电路一般由超声波反射器T、40kHz的超音频振荡器、驱动（或激励）电路等组成，本设计利用门电路产生40kHz的超声波，组成的超声波发射电路见图2。

图中，与非门74LS00和LM386组成超声波发射电路，用74LS00构成多谐振荡器，通过调节20k的电位器，可产生超声波发射的40kHz信号，其中U3A为驱动器，电路振荡频率f≈1/2.2RC，单片机的控制信号由U2A输入。为增大超声波的发射频率，本设计利用了单运放LM386，发射距离可达4m。

　　超声波的接收电路

超声波接收电路如图3所示。接收头采用与发射头配对的超声波接收器R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号。为了进行信号的整形，在设计中的CMOS电平的6非门芯片CD4069，可以减少电路的复杂程度，提高电路的带负载能力。整形后的信号由C1耦合给带有锁定环的音频译码集成块LM567的输入端3脚，当输入信号的幅度落在其中心频率上时，LM567的逻辑输出端8脚由高电平跃变为低电平。

　　DS18B20温度补偿电路

根据上文中式（2）可知，温度对声速的影响较大，若不进行补偿，将会带来测量误差，为了提高系统的测量精度，设计了温度补偿电路。系统采用数字温度传感器DS1