超声测距系统设计

　　超声学是声学的分支，它主要研究超声波的产生、探测超声波在介质中的传播、超声波和物质的相互作用以及基于这些理论基础的各种超声波技术或应用。超声测距是超声检测技术中最基本之一种，现代的许多超声技术的源头都可追溯到它，如超声定位、声纳、B 超等等。同时，超声测距本身也还在不断发展和取得新的应用，如机器人定位、复杂油井液位测量、高温、辐射等条件苛刻的工业场合需要定位和测距的地方。

　　超声波测距的方法主要是测量超声在介质中的传播时间，常用的方法是回波探测法。这种方法主要是捕捉超声脉冲的回声，根据超声在空气中的传播时间来确定被测目标的距离。较简单的回波捕捉方法是采用电平 MJ 值法。由于电平阈值法原理简单，硬件上较容易实现，在一些要求不高的应用领域很常见，根据这一原理，在进一步提高测量精度的问题上，国内外的学者做了大量的研究。如文献[1]中，提出一种可变阈值的测量方式，提高了超声测距的精度;文献[2]中，通过对回波包络实时归正，设置随回波峰值而线性变化的鉴幅阈值;文献[3]中，以理想的回波包络曲线的数学模型为基础，用一定的检测方法计算出单次测量的起伏参数，然后推算出回波的准确前沿，最后得到声波的传输时间。

　　本文描述了系统研制的理论基础，基于单片机设计了超声波测距系统的硬件电路和软件，用 SPCE061A 单片机实现了超声测距，并分析了测试误差产生原因。

　　1超声波测距系统的工作原理

　　超声是指振动频率超过 20 kHz 的机械波，在空气和水中和软组织中主要以纵波出现，超声波作为波的一族，也有波所具有的种种特性，如具有反射、折射特性;具有波动方程，具有行波解，与之相关的还有声压、声场、声阻抗、波速、频率、衰减、散射、传感器、多普勒频移等等概念。

　　渡越时间法是通过测量发射波到回波之间的时间差，与某个温度下的声速值相乘积，从而确定出换能器离反射面(目标)之间的距离。由公式表示为

　　当然对两传感器(即一收一发)，公式应修正为

　　其中，d 为两传感器之间的距离。

　　2测距系统的硬件设计

　　系统总体结构如图 1 所示。单片机控制整个系统的运行，发射脉冲，检测到回波后读入 A/D 信号。接收放大器包括二级放大器，二级都是带通放大器。回波检测中采用门限检测。

　　发射电路硬件结构如图 2。脉冲产生电路可以通过分立元件搭接成振荡器，从而产生频率为 40Hz的方波;也可以采用现成的集成块，如芯片NE555 来产生;考虑到选用的单片机SPCE061A 具有脉冲产生功能，这样就极其简化了硬件电路，本系统采用方波调制的脉冲发射电路，即采用单片机的一个端口作为 IO 口，同时外接驱动芯片来提高其输出电流的驱能力，保证 40 kHz的脉冲信号有一定的功率。单片机产生以 5个 40 kHz 为一组的脉冲群，加到压电晶片上能使晶片发出超声波，当信号为高电平时，发射传感器两端就加上了高电压，内部的压电晶片 开始震动，此时接收传感器的两端可以检测到有40 kHz 信号;当信号为低电平时，发射传感器通过回路放电，此时接收传感器可以接收到回波信号。如图所示，由单片机产生的发射脉冲，经 CD4049 来增强驱动能力 ，CD4049 是MOS电平的驱动器，本系统工作电压为6V。它由6组反相器组成。两个反相器并联可以提高发射电波的功率。传感器的正、负终端的电压相位相差180°，电容C可以除去直流分量，这样，两倍的反相器输出电压施加在传感器上。超声波传感器将输入的电信号转换为超声波信号传输出去。超声波接收电路主要由两大部分构成。超声波回波放大电路(图3)和信号处理电路(图 4)。