超聲波測距系統的設計

O 引言
超聲波是一種頻率在20KHz以上的機械波，在空氣中的傳播速度約為340 m／s(20°C時)。超聲波可由超聲波傳感器產生，常用的超聲波傳感器兩大類：一類是采用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。由于超聲波具有易于定向發射，方向性好，強度好控制，對色彩、光照度不敏感，反射率高等特點，因此被廣泛應用于無損探傷，距離測量、距離開關、汽車倒車防撞、智能機器人等領域。

1 系統原理框圖
本設計的整體框圖如圖1所示，主要由超聲波發射，超聲波接收與信號轉換，按鍵顯示電路與溫度傳感器電路組成。超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發射和接收回波的時間差T，然后求出距離S=CT／2，式中的C為超聲波波速。在常溫下，空氣中的聲速約為340m／s。由于超聲波也是一種聲波，其傳播速度C與溫度有關，在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。因本系統測距精度要求很高，所以通過對溫度的檢測對超聲波的傳播速度加以校正。超聲波傳播速度確定后，只要測得超聲波往返的時間，如圖2所示，即可求得距離。這就是超聲波測距系統的基本原理。

2 超聲波信號的發射與接收電路
發射部分電路如圖3所示，主要由脈沖調制信號產生電路，隔離電路以及驅動電路組成，用來為超聲波傳感器提供發送信號。脈沖調制信號產生電路中通過單片機對555定的復位(RESET)端的控制，使555定時器分時工作從而生產生脈沖頻率為40KHz，周期為30ms的脈沖調制信號，信號波形如圖2所示，本設計中一個周期內發送10個脈沖信號。隔離電路主要是由兩個與非門組成，對輸出級與脈沖產生電路之間進行隔離。輸出級由兩個通用型集成運放TL084CN組成，由于超聲波傳感器的發射距離與其兩端所加的電壓成正比，因此要求電路要產生足夠大的驅動電壓，其基本原理就是一個比較電路，當輸入信號Vi>2．5V時，運放A的輸出電壓VA=+12V，運放B的輸出電壓VB=-12V，當輸入信號Vi2．5V時，運放A的輸出電壓VA=-12V，運放B的輸出電壓VB=+12V，所以在超聲傳感器兩端得到兩個極性完全相反的對稱波形，即VB=-VA，所以加在超聲波傳感器兩端的電壓V=VA-VB=2VA，其兩端的電壓可達到24V，從而保證超聲波能夠發送較遠的距離，提高了測量量程。