带红外通讯接口的超声波测距仪

　　1　超声波测距原理

　　超声波测距是通过检测超声波发射后遇到障碍物反射的回波(见图1),记录从发射到接收回波的时间t,然后计算出距离S,距离计算公式为

　　在空气中,超声波的传输速度易受空气中的温度、湿度、压强等因素的影响,其中温度的影响最大。因此,计算距离时需要进行温度补偿。在已知温度T的情况下,超声波速度计算公式为

　　在测距仪系统中,设置测温电路,通过测量当前的温度值,进行实时温度补偿。这样,通过单片机控制超声波的发射,并且测量出发射和接收到的第一个回波之间的时间数值,就可以比较精确地计算出测距仪和障碍物之间的距离。

　　2　超声波测距系统设计

　　超声波测距系统组成如图2所示,包括发射电路、接收电路、显示与存储电路、通讯接口电路等。

　　2.1　超声波发射电路

　　由于振动频率为40 kHz的超声波在空气中传播性能最佳,测距仪选用40 kHz的超声波。超声波换能器采用CSB40T,其谐振中心频率为40 kHZ.由555时基电路组成的多谐振荡器,产生40 kHz的方波,驱动超声波换能器产生40 kHz的超声波,如图3所示。单片机通过控制时基电路的触发端R来控制超声波的发射时间。

　　2.2　超声波接收电路

　　超声波接收电路是通过超声波传感器CSB40R,将由障碍物反射回来的回波转换成电信号,再经过放大、滤波、检波处理,然后输入到单片机的外部中断口。超声波接收传感器与发射传感器是对应的,其共振频率为40 kHz,电路连接如图4所示。第一级放大电路放大100倍,第二级电路放大了100倍,共放大了10 000倍,滤波电路中心频率为40 kHz.通过调节R₄₆的阻值,可以调节检波电路的门槛电压。放大和滤波电路部分的集成运放使用了LM324,滤波电路采用单电源连接,避免了负电源的使用,使电路结构简单紧凑。

　　2.3　温度补偿

　　选用一线式温度传感器DS18B20,DS18B20最高具有12位转换精度,测量精度为0·5℃,软件处理后可达0·1℃,温度输出以16位符号扩展的二进制形式提供,低位在先,以0·062 5℃/LSB形式表达。16位温度读数形式,其中高5位为扩展符号位,如果测得的温度>0℃,这5位为0,只要将测到的数值乘于0·062 5即可得到实际温度;如果温度<0℃,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0·062 5,即可得到实际温度。

　　2.4　显示电路

　　系统中,用4位LED显示距离数据。采用MAX7219作为显示驱动,该芯片为串行数据显示控制,只需单片机的3个I/O口,见图5,DIN、LOAD、CLK为单片机的的3个控制信号。通过编程,只要使单片机引脚时序符合MAX7219的时序就可实现串行动态显示。