超声波测距系统的研究与设计

　　引言

　　超声波检测系统被广泛应用在实现定位及环境建模场合,如汽车防撞雷达、液位、井深以及管道长度测量等。本文设计了一种应用单片机技术为核心的低成本、高精度及微型化数字显示超声波检测仪,对系统的基本原理、硬件电路、软件设计及误差进行了分析介绍,并提出了解决方法。

　　1　超声波发生器工作原理

　　1.1　超声波发生器

　　为了研究和利用超声波,人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲,超声波发生器可以分为两大类:即用电气方式和机械方式产生超声波。前者包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;后者有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同,目前较为常用的是压电式超声波发生器[1]。

　　1.2　压电式超声波发生器原理

　　压电式超声波发生器[2]实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部有两个压电晶片和一个共振板,当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。

　　1.3　测距原理

　　系统超声测距原理,采用渡越时间法,即

　　其中,D为换能器与障碍物之间的距离;C为声波传播速度[2],;γ为定压分子热容量与定容分子热容量的比值;R为气体常数;T为绝对温度;μ为气体的分子量;t为超声波发射到返回的时间间隔。

　　2　系统分析与设计

　　频率为40kHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳[3,4],发射的超声波被调制成40kHz左右,具有一定间隔的调制脉冲波信号。测距系统结构如图1所示,系统由测距系统、控制和显示部分组成。

　　2.1　超声波发送

　　超声波发送脉冲信号由单片机产生,将脉冲信号放大用以驱动超声波换能器发送超声波。并由单片机控制脉冲群的脉冲个数及脉冲群之间的时间间隔,其发送间隔取决于要求测量的最大距离。若在有效测距范围内有被测物,则在后一路探测波束发出之前应当接收到前一路发出的反射波,否则认为前一路没有探测到物体。按有效测距范围及最大测量距离可以算出最短的脉冲群间隔发送时间。例如,最大测距距离为5m时,脉冲间隔时间t=2D/C=2×5/340≈30ms,实际应取t≥30ms。

　　2.2　超声波接收

　　超声波接收是用来将探测波回波的声能转换为电信号,实现超声波回波的接收。在被测物距离较远的情况下,声的回波很弱,为此要求将信号多次放大。放大后的信号整形输出一个方波信号,此方波信号向CPU发中断申请,在中断服务程序中,读取时间计数器的计数值。超声波接收电路原理(略去多路选择开关),如图2所示。