一種高精度超聲波測距系統研究

摘要：介紹了一種以單片機AT89S52為核心，同時用74LS04驅動超聲波發射探頭，用CX20106A對接收信號進行放大、濾波、檢波并輸出負脈沖的低成本、高精度超聲波測距系統的硬件和軟件設計方法。實驗證明，這套超聲波測距系統軟硬件設計合理、抗干擾能力強、實時性好。
關鍵詞：超聲波；測距；單片機；高精度

0 引言
隨著科學技術的快速發展，超聲波在測距儀中的應用越來越廣。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的測距技術還十分有限，因此，超聲波測距還是一個正在蓬勃發展而又有無限前景的技術及產業領域。為了能順利地完成汽車的停放，應用測距電路能更準確、即時地得到汽車與障礙物的距離。
智能機器人進入人們的家庭不再是科幻片里面的情節，現在已經有很多機器人開始普及，如智能清潔機器人、智能防盜機器人等。而這些機器人是需要感覺周圍的環境來做出判斷的，測距系統就能發揮很大的作用。因此，設計高穩定性、高精度的超聲波測距儀就顯得特別重要。

1 超聲波測距原理
和蝙蝠探測障礙物的方法一樣，用超聲波測距時，先由超聲波測距儀向前方發射超聲波，超聲波在空氣中直線傳播。當前方有障礙物時，超聲波發生反射并被接收端接收。這樣，通過比較反射回來的超聲波與發射超聲波的時間差，就可以計算出測距儀到阻礙物之間的距離。
反射超聲波與發射超聲波的時間差比較容易獲取，且計算只與超聲波在空氣中的傳播速度有關，因此，這種方法將得到普遍應用。若超聲波以速度v在空氣中傳播，遇到物體后反射，由接收器接收的時間差為t，那么，由s=vt／2，就可以計算出所測距離。但是，超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關，如果測距精度要求很高，就需要通過溫度補償的方法加以校正。

2 系統的總體設計
超聲波測距系統的整個系統由單片機來控制。啟動測量時，由單片機發出一個控制信號去觸發發射電路，使發射電路起振，同時驅動超聲波發射器發射出一串超聲波脈沖(六個脈沖)，并同時啟動單片機的定時計數器開始計數，也就是開始測量渡越時間。當這些脈沖到達被測目標時，將發生反射，并經空氣傳播被超聲波接收器接收，再由放大電路進行選頻放大。接收到的第一個脈沖去觸發單片機的外部中斷，使定時計數器停止計數，這樣，根據計數器的值就可以算出時間。
2．1 系統硬件設計
2．1．1 超聲波發射電路
超聲波傳感器利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化。其發射電路原理圖如圖1所示。該發射電路主要由反相器74LS04和超聲波發射換能器構成。單片機的P2．1端口輸出的方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發射強度。輸出端采用兩個反向器并聯，可以提高驅動能力。上位電阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力；另一方面，還可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。