超声波测距系统的设计

    1 超声波测距原理

    1.1 超声波发生器

    超声波发生器可以分为两大类：用电气方式和机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、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。目前常用的是压电式超声波发发生器。

    压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它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，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，就成为超声波接收器。

    1.2 超声波测距原理

    超声波传感器包括 3 部分：超声换能器、处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励，其受激后以脉冲形式发出超声波，接着超声换能器转入接收状态（相当于一个麦克风），处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析，判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。如果是，就测量超声波的行程时间，根据测量的时间换算为行程（超声波在空气中的速度可以近似为定值），再除以 2，即为反射超声波的物体距离。其基本过程如图1所示。

    2 超声波测距系统电路设计

    综合考虑各方案的优缺点，以及成本和可行度 1设计出以下这种测距方案。其系统框图如图2所示。

    2.1 发射电路的设计

    系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。本超声波测距系统以AT89C51为中央处理器，系统上电工作后,由脉冲发生器发出脉冲信号。该脉冲信号一方面通过驱动的电路推动脉冲发生器发出超声波脉冲；另一方面，触发AT89C51内部定时器T1（由外部中断INT0实现）开始定时，同时等待接收信号，关闭定时器。

    测距系统中的超声波传感器采用UCM40R的压电陶瓷传感器。它的工作电压是40kHz的脉冲信号，由单片机执行下面程序产生。

    PULSE:

    MOV 14H,#12H； 超声波发射200μs

    ACALL LOOP2； 产生40kHz的超声波

    LCALL DIS； 延时

    SJMP PULSE ； 反复发射

    LOOP2:

    CPL P1.0

    NOP