一种基于单片机的超声测距系统的设计

　　超声波频率较高而波长短,因而具有束射特性,可沿直线传播、方向性好、绕射小、穿透力强、传播速度慢,而且遇到杂质或分界面时会产生反射波。正由于超声波具有以上特点,所以在测量领域,他的应用范围越来越广泛。

　　1　超声测距原理

　　超声测距是一种非接触式的检测方式,他不受光线、被测对象颜色等因素的影响,对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰等恶劣环境有一定的适应能力。因此可应用于料位测量、车辆自动导航、物体识别与定位、车辆安全行驶辅助系统乃至地形地貌探测等许多领域。

　　超声波测距是通过超声波发射器向某一方向发射超声波,超声波在介质中传播,途中碰到被测物体后,必有反射波反射回来作用于超声波接收器上。这时发射点距被测物反射面之间的距离就可用时间差测距法求得:

　　其中:C为超声波在介质中的传播速度(m/s);tr为从发射超声波到接收到回波的时间差(s);L为待测距离(m)。

　　2　系统设计

　　系统由超声波传感器、发射电路、回波接收电路、微处理器、时序逻辑控制电路、目标距离检测电路、RS 485串口通信等电路组成。微处理器采用了ATMEL公司的AT89C51。

　　系统硬件框图如图1所示。

　　2.1　超声波传感器

　　超声波传感器又称超声波换能器或超声波探头,他的种类很多,目前用得较多的是压电式超声换能器。他主要由压电晶片构成,既可发射超声波也可接收超声波。压电效应具有可逆性,给压电晶片施加周期性变化的电压时就会发生形变,产生振动,发出超声波。反之当压电晶片受力后会产生电荷,可形成电压,因此也可以接收超声波。

　　收发一体型超声波换能器是一个既可发射超声波又可接收超声波的换能器,当换能器发射出一个短暂的振荡信号后,便处于接收状态。本系统传感器采用CUSS200型收发一体型换能器,谐振中心频率为75 kHz。

　　2.2　发射电路

　　超声波脉冲的发射是由发射电路与换能器共同来完成的,在高压电脉冲的激励下,换能器发出与其相对应的声脉冲,发射功率的大小与测量距离有直接的关系。发射电路如图2所示。

　　图2中,场效应管IFR830工作在开关状态。当IFR830关断时,150 V高压通过电阻R2,R4和电感LE对电容充电,充电的时间常数应小于发射信号的最小脉冲重复周期,否则储能电容得不到足够能量,使发射的声脉冲能量减弱。当触发脉冲使IFR830导通时,储能电容通过电阻R4,电感LE和换能器放电。换能器等效电路如图3所示,电感LE和换能器的静态电容C0组成一个并联谐振回路,其谐振频率应等于换能器的谐振频率75 kHz。因每个换能器的谐振频率不完全相同,所以在实际操作中,LE应是一个电感元件和一个可调电感的串联。R4称为阻尼电阻,他的作用是减小发射的声脉冲宽度,提高分辨率,但阻尼电阻使发射声脉冲宽度减小,发射的声功率也会随之减小,所以他的选择一定要兼顾两方面的要求。高压二极管2CK27D的作用是在换能器发射声波时导通,在换能器接收回波的时间内截止,使换能器与脉冲发生器断开,这样就有效地阻止了发射电路的噪声进入回波接收电路中去。