基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)。詳細(xì)給出了超聲波測(cè)距儀的工作原理、超聲波發(fā)射電路和接收電路、測(cè)溫電路、顯示電路等硬件設(shè)計(jì)，以及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中采用升壓電路，提高了超聲換能器的輸出能力；采用紅外接收芯片，減少了電路間相互干擾，提高了靈敏度；同時(shí)，考慮了環(huán)境溫度對(duì)超聲波測(cè)距的影響，采用溫度傳感器，提高了測(cè)量精度。該設(shè)計(jì)試驗(yàn)運(yùn)行良好，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、價(jià)格低廉，具有廣闊的推廣前景。
關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距儀；超聲波換能器；單片機(jī)；溫度傳感器

0 引言
目前，常用的測(cè)距方法主要有毫米波測(cè)距、激光測(cè)距和超聲波測(cè)距三種。超聲波測(cè)距較前兩種測(cè)距方法而言，具有指向性強(qiáng)、能耗緩慢、受環(huán)境因素影響較小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于如井深、液位、管道長(zhǎng)度、倒車等短距離測(cè)量。
本設(shè)計(jì)選用頻率為40 kHz左右的超聲波，它在空氣中傳播的效率最佳。在超聲測(cè)距方法上，本文選用渡越時(shí)間法，據(jù)文獻(xiàn)所提供的數(shù)據(jù)，渡越時(shí)間法簡(jiǎn)單，成本低，可應(yīng)用的距離范圍較大，可測(cè)量的范圍為0．39～10．3 m。由于超聲波測(cè)距主要受溫度影響較大，所以本設(shè)計(jì)增加了溫度補(bǔ)償電路。本設(shè)計(jì)具有電路簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、工作穩(wěn)定可靠、測(cè)距精確和能耗小、成本低等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)無接觸式測(cè)量，應(yīng)用廣泛。

1 超聲波測(cè)距儀工作原理
1．1 超聲波測(cè)距原理
根據(jù)超聲波發(fā)射后返回的回波幅值、相位和超聲波發(fā)出到返回的時(shí)間差不同，有聲波幅值檢測(cè)法、相位檢測(cè)法和渡越時(shí)間法。本文采用渡越時(shí)間檢測(cè)法，其基本思想如圖1所示，發(fā)射器發(fā)射超聲波，經(jīng)過障礙物反射后被接收器接收，測(cè)量發(fā)射器和接收器發(fā)射和接收超聲波的時(shí)間差，利用式(1)即可測(cè)得障礙物與測(cè)試點(diǎn)之間的距離L：

式中：c為超聲波在空氣中的傳播速度；t為超聲波在空氣中傳播的時(shí)間。

同時(shí)，超聲波在空氣中的傳播速度c受環(huán)境溫度τ的影響較大，考慮了環(huán)境溫度對(duì)傳播速度的影響后，距離公式修正為：

1．2 超聲波換能器
超聲換能器是基于正(負(fù))壓電效應(yīng)制成的聲電傳感器，在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成為聲信號(hào)(正壓電效應(yīng))，或者是將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)(負(fù)壓電效應(yīng))。
本文選用防水型收發(fā)一體式雙晶片壓電振動(dòng)式超聲換能器TCF40-25TR，其主要性能指標(biāo)如下：
(1)中心頻率：(40±1)kHz；
(2)發(fā)射聲壓：在10 V(0 dB=0．02 mPa)時(shí)大于等于100dB；
(3)接收靈敏度：在40 kHz(0 dB=V／Pa)時(shí)大于等于-55 dB；
(4)靜電容量：在1 kHz，小于1 V(PF)時(shí)為2 000±20％；
(5)余振時(shí)間小于等于1．2 ms；
(6)波束角度特性如圖2所示。

1．3 超聲波測(cè)距的波速特性與超聲測(cè)距的盲區(qū)
超聲波從換能器發(fā)射后，在空間傳播是有指向性的，指向性最強(qiáng)的為主瓣，其余的為旁瓣，如圖3所示。超聲波的這種指向性的存在可以達(dá)到定向集中能量和減小干擾的目的。然而，旁瓣的出現(xiàn)還是造成了一定的干擾。如圖4所示，從障礙物返回的超聲波主瓣被接收器接收，同時(shí)，直接從超聲波探頭發(fā)出的旁瓣也可能被接收，造成旁瓣干擾。