嵌入式超聲波測距儀的設計方案

引言

　　隨著電子技術的發展，測距技術越來越先進，從采用卷尺人工進行丈量，到用水準儀和三角理論進行測量計算，甚至采用激光測距等，這些測量手段因精度低、操作繁瑣或成本高而不盡人意。隨著超聲波的應用日益廣泛，超聲測距在測試領域中得到應用，該類產品如進口的超聲波液位計、超聲波測位儀等性能雖好，但價格昂貴。目前，超聲波傳感器技術已廣泛用于工業、國防、交通、生物醫療和家庭領域。超聲波傳感器技術與信息技術、集成工藝相結合，為開發智能化、高靈敏度的超聲波儀器設備創造了有利條件。鑒于此，運用嵌入式單片機技術、結合CAN總線通信協議標準、設計一種嵌入式超聲波測距儀具有很大的發展前景。它可以做到成本低、外圍電路簡單、功能齊全、能夠滿足一定的測量要求。

　　1　超聲波傳感器

　　1.1　典型結構

　　超聲波傳感器是利用超聲波的特性而研制的傳感器，超聲波傳感器的典型結構如圖1所示。它是把成正方形的兩個壓電晶片（亦稱雙晶振子）按照相反的極性粘貼在一起，再引出兩個電極。壓電晶片上面有金屬震動板和圓錐形振子。圓錐形振子具有很強的方向性，便于發送和接收超聲波。超聲波傳感器采用金屬或塑料外殼，其頂部有屏蔽柵。

　　1.2　測距原理

　　超聲波具有頻率較高，沿直線傳播、方向性好、繞射小、穿透力強、傳播速度慢（約340m/s,與聲速相同）等特點。

　　超聲波對固體和液體的穿透能力強，尤其對于在陽光下不透明的固體，可以穿透幾十m的深度。超聲波遇到雜質或分界面時會產生反射波，利用這一特性可構成超聲波探傷儀或測距儀。超聲波遇到移動物體時會產生多普勒效應（DopplerEffect），使接收到的頻率發生變化，由此可制成多普勒測距系統。

　　超聲波測距原理是超聲波發射探頭發出的超聲波脈沖，經媒質（空氣）傳到物體表面，反射后通過媒質（空氣）傳到接收探頭，測出超聲脈沖從發射到接收所需的時間，根據媒質中的聲速，求得從探頭到物體表面之間的距離。設探頭到物體表面的距離為L,超聲在空氣中的傳播速為v,從發射到接收所需的傳播時間為t,則有：L=vt/2。由此可見，被測距離L與傳播時間之間具有確定的函數關系，只要能測出時間t,即可求出距離L,通過軟件實現直接在顯示器上顯示L的值。

　　2　硬件電路設計

　　2.1　整體方案設計

　　根據所給的設計要求，即具有數字顯示、鍵盤輸入、超聲波發射與接收、能通過CAN總線與上位機進行通信、異常情況自動報警等功能。可以構架出此嵌入式超聲波測距儀的整體方案設計框圖如圖2所示。從圖2中可以看出整體硬件電路設計主要包括：微處理器AT89C51部分、電源電路部分、超聲波發射與接收電路部分、鍵盤輸入部分、CAN總線通信部分、LED顯示部分。現將重點介紹超聲波發射、接收電路和CAN總線通信電路的具體設計。