简易高精度超声波测距仪的设计

　　0 引 言

　　用于距离测量的超声波一般是指频率为40 kHz的机械波，利用其指向性强，能量消耗缓慢，传播距离远，遇到障碍物会发生反射等特性进行距离的测量。 通过超声波发射传感器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，当声波遇到障碍物返回时，接收器接收到反射波信号后定时器停止计时，利用声波在空气中传播的速度和时间的乘积就可以得到被测障碍物的距离。本系统采用AT89C52单片机为主控器件来完成测量过程中信号的采集、控制和数据的处理，测量结果通过LED显示，测量过程中与被测物体没有直接接触。

　　1 超声波测距的原理和系统方案设计

　　图1示意了超声波测距的原理，即超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当该信号遇到被测物体后反射回来， 就被超声波接收器R所接收到， 计算从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。计算公式为： d =s/2 = (v×t) /2 (1)

　　式中: d为被测物与测距仪的距离; s为声波来回的路程; v为声速; t为声波往返所用的时间。

　　在测量中需要考虑两个参数：声速和发射脉冲个数。声速的精确程度决定了测量精度，声速与温度有关，测距仪多用于常温测量距离较短，如温度变化不大，则可认为声速是基本不变的，约为344 m/s。 如测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。为增强系统可靠性，应在软硬件上采用抗干扰措施。

　　发射超声波脉冲个数决定测距仪测量盲区， 影响测量精度， 同时与信号发射能量有关， 发射脉冲个数少，可提高测量精度,但减少了发射能量对接收回波不利， 脉冲个数过多会增加测量盲区。 在设计中经过比较，选择发射5个40 kHz的脉冲方波作为测量信号。

　　超声波发生器一般分为两类：1) 用电气方式产生超声波，电气方式包括压电型和电动型。 2) 用机械方式产生超声波，如加尔统笛和液哨。本测距仪主要用于近距离测量，采用压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素， 采用AT89C52单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器，超声波测距仪的系统如图2示。

　　2 系统硬件电路的设计

　　2.1 单片机及显示电路

　　AT89C52采用12 MHz晶振以获稳定的时钟频率 ，P1.0端口输出超声波换能器所需的40 kHz方波信号 ，用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回中断信号。显示电路采用4位共阳极LED数码管，P0.0—P0.6端口输出并通过74LS244驱动4位LED管段码，P2.0—P2.3端口输出信号，通过三极管8550驱动位码[1]。