基于ATMEGA8的低成本超声波测距仪设计

　　近些年来，随着超声技术研究的不断深入，再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声的应用变得越来越普及。目前，已经广泛应用在机械制造、电子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工业领域。

　　目前常用的测距方式，主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距4种。超声波测距，多应用于汽车倒车雷达、机器人定位[1]、建筑工地以及一些工业现场的位置监控，如液位、井深的测量等场合。

　　石油石化行业对油库和水箱液面的精确测量和控制的要求，越来越严格。基于以上需要，笔者以ATMEGA8单片机为控制核心，设计了一种低成本的小型化超声波测距系统[2]，并介绍了系统的硬件和软件设计方法。

　　1 超声波测距基本原理

　　超声波测量技术，是基于蝙蝠等无目视能力的生物防御及捕捉猎物生存的原理[3]，利用超声波(20 kHz以上的机械波)借助空气媒质传播，通过遇到障碍物反射回来的时间间隔长短，及被反射超声波的强弱，判断障碍物性质和位置的方法。

　　本系统采用时间间隔检测法，即测距时，超声波发射器有规律发射超声波，遇到被检测对象后，反射回来，通过超声波接收器接收到反射波信号，并将其转变为电信号，测出从发射超声波至接收到反射波的时间差(时间间隔t)，如图1所示。

　　t与超声波传播速度c相乘，可求出被测距离s，即

　　由于超声波的声速和温度有关[4]，如果温度变化不是很大，认为声速基本不变。如果测距精度要求很高，那么可以通过温度补偿的方法，来加以校正。不同温度下，超声波在空气中的传播速度，随温度变化关系为

　　式中，T为实际温度;c的单位为m/s。

　　2 超声波测距系统设计

　　根据超声波的工作原理，结合现场的使用需要，设计了一种低成本、低功耗的超声波测距系统。超声波测距系统框图如图2所示。

　　2.1 超声波测距系统硬件设计

　　结合应用要求，根据超声波测距原理，以ATMEG8单片机为核心[5]，利用ATMEGA8单片机自带PWM输出40 kHz超声波信号，通过相应放大电路后发射超声波。反射回来的超声波，经过前置放大、带通滤波、检波比较和波形整形后，送入ATMEGA8单片机，其中发射和接收信号间的时间差利用ATMEGA8单片机内部定时器进行测量，最终计算得到相应的距离。

　　采用AVR系列8位单片机ATMEGA8为核心控制器件，控制超声波的产生、超声波反射信号接收、数据处理和测量结果显示等。ATMEGA 8是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位单片机，自带3路PWM 输出和比较和捕获模式的16位定时/计数器，其可以达到接近1 MIPS/M的性能，运行速度比普通CISC单片机高出10倍，执行指令时间短，集成度高，价格更低。