一种低成本超声波测距仪的设计

　　1　引　言

　　随着社会的发展,人们对距离或长度测量的要求越来越高。超声波测距由于其能进行非接触测量、相对精度较高和不受待测物的颜色影响以及受温度影响几乎可以忽略等优点[1],在测量领域应用十分广泛,如液面高度检测、倒车雷达、机器人视觉等,但市场上出售的超声波测距仪成本普遍较高,价格昂贵。针对上述问题,本文设计了一种低成本超声波测距仪,以期为该类型超声波测距仪的生产提供参考。①

　　2　超声波测距的基本原理

　　如图1所示,由控制器控制发射电路模块,向超声波发射探头提供特定频率(比如40 kHz)的脉冲或正弦信号,该信号频率与发射探头的机械共振频率一致,引起机械共振,产生相同频率的声波并发射于空气中;经待测物体返回,当声波传输到接收探头时,引起接收探头机械共振,并转换为对应频率的交流电信号,经过接收电路模块一定的信号处理供控制器识别,由控制器通过计量声波从发出到返回的时间差T,根据如下公式测量出待测物距离探头的距离S并显示[2]:

　　但在实际设计中,为了避开发射探头和接收探头之间的直达信号的干扰,往往在一个测量周期内,只发射数十个完整波。

　　3　系统硬件设计

　　根据上述的超声波测距系统工作原理图对硬件系统进行设计,实际上也就是分别对各个模块进行设计。

　　3.1　控制器模块

　　根据低成本原则,选用廉价的MEGA8单片机,该单片机是ATMEL公司生产的AVR系列单片机的一员[3],其特色在于采用RISC精简指令集提高了运算速度,并内嵌16位定时器,不必像51单片机通过高频率的定时中断获取PWM,仅通过控制相关寄存器即可很方便地生成占空比可调的40 kHz的脉冲信号,这样也就自然省去了发射电路模块中的信号产生电路,节约了硬件成本[4]。其最小系统组成如图2所示。

3.2　显示模块

　　显示模块用于显示测距结果,由于距离以厘米为单位,测距范围在2.5m以内,显示的数字范围也就是从0~250,显示模块采用三位共阴数码管,分别显示百位、十位、个位,这样不仅降低成本,而且直观了然。显示模块电路如图3所示。

　　3.3　发射电路模块

　　由于可以用单片机产生40 kHz的脉冲,发射电路模块只需负责功率放大,以驱动发射探头的工作。在该模块中,不需要采用价格昂贵的集成功率放大器,只用一片74HC04即可,这样就可以降低成本,其电路如图4所示。

　　由图4可知,单片机输出的Vpp=5V的脉冲信号,经过五路非门处理后,变成了Vpp=10V的脉冲信号,同时可以输出较大电流,增加了驱动负载的能力。