基于單片機高精度工程超聲波測距系統研究

　　人耳最高只能感覺到大約20000 Hz的聲波，頻率更高的聲波就是超聲波了。超聲波廣泛地應用在多種技術中。超聲波有兩個特點，一個是能量大，一個是沿直線傳播。它的應用就是按照這兩個特點展開的。理論研究表明，在振幅相同的情況下，一個物體振動的能量跟振動頻率的二次方成正比。超聲波在介質中傳播時，介質質點振動的頻率很高，因而能量很大。在我國北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動會使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風扇把霧滴吹入室內，就可以增加室內空氣濕度。這就是超聲波加濕器的原理。對于咽喉炎、氣管炎等疾病，藥力很難達到患病的部位，利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠增進療效。利用超聲波的巨大能量還可以把人體內的結石擊碎。金屬零件、玻璃和陶瓷制品的除垢是件麻煩事，如果在放有這些物品的清洗液中通入超聲波，清洗液的劇烈振動沖擊物品上的污垢，能夠很快清洗干凈。我們在墻的一側說話，另一側的人也能聽到，這說明聲波能夠繞過障礙物，如圖6所示。但是，波長越短，這種繞射現象越不明顯。因此，超聲波基本上是沿直線傳播的，可以定向發射。如果漁船載有水下超聲波發生器，它旋轉著向各個方向發射超聲波，超聲波遇到魚群會反射回來，漁船探測到反射波就知道魚群的位置了。這種儀器叫做聲納，聲納也可以用來探測水中的暗礁、敵人的潛艇，測量海水的深度。

　　超聲波測距的基本原理

　　超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據計時器記錄的時間t,就可以計算出發射點距障礙物的距離（s），即：s=340t/2 .這就是所謂的時間差測距法。

　　超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發射后遇到障礙物反射回來的時間，根據發射和接收的時間差計算出發射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。

　　測距的公式表示為：L=C×T

　　式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差（T為發射到接收時間數值的一半）。超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業現場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數量級。由于超聲波易于定向發射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們設計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。

　　壓電式超聲波傳感器的原理

　　目前，超聲波傳感器大致可以分為兩類：一類是用電氣方式產生的超聲波，一類是用機械方式產生的超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。在工程中，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。

　　壓電式超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發生器內部結構如圖1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。

　　反射式超聲波測距儀的硬件電路設計

　　本系統硬件電路由單片機最小系統、溫度補償電路、超聲波發射電路、超聲波接收電路、顯示電路構成，如圖1所示。

　　本超聲波測距儀的具體工作過程如下，在單片機產生復位信號后，由MC9S12DG128B產生一個控制信號，控制外圍電路產生40kHz的超聲波，經整形放大后加到超聲波換能器發射出頻率為40kHz的超聲波。同時，計數MC9S12DG128B內部的定時器，測量超聲波信號從發出到接收所花的時間，并把經超聲波換能器R接收到的超聲波信號放大、濾波、整形，并作為接收信號來啟動定時器的輸入捕捉功能，完成一次超聲波測距的時間操作。同時，由溫度傳感器DS18B20測得當前的環境溫度，讀入單片機，然后經其處理，在液晶顯示屏上顯示相應的測量值以及當前溫度。

　　微控制器MC9S12DG128B

　　MC9S12DG128B是飛思卡爾公司推出的S12控制器中的一款16位微控制器。其集成度高，片內資源豐富，接口模塊包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等，在FLASH存儲控制及加密方面有較強的功能。

　　MC9S12DG128B微控制器采用增強型16位S12 CPU，片內總線時鐘頻率最高可達25MHz；片內資源包括8kB RAM、128kB FLASH、2kB EEPROM、SCI、SPI及PWM串行接口模塊；PWM模塊可設置成4路8位或2路16位，可寬范圍選擇時鐘頻率；它還提供2個8路10位精度A/D轉換器、控制器局域網CAN和增強型捕捉定時器，并支持背景調試模式（BDM）。