高精度超聲波測量距離系統的設計與實現

引言

　　在工程實踐中，超聲波由于指向性強、能量消耗緩慢且在介質中傳播的距離較遠，因而經常用于距離的測量。它主要應用于倒車雷達、測距儀、物位測量儀、移動機器人的研制、建筑施工工地以及一些工業現場等，例如：距離、液位、井深、管道長度、流速等場合。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便，且計算簡單、易于做到實時控制，在測量精度方面也能達到工業實用的要求，因此得到了廣泛的應用。

超聲波測距的基本原理

　　超聲波發生器在某一時刻發出超聲波信號，遇到被測物體后反射回來，被超聲波接收器接收到。只要計算出超聲波信號從發射到接收到回波信號的時間，知道在介質中的傳播速度，就可以計算出距被測物體的距離：

　　d=s/2=(vt)/2 （1）

　　其中d為被測物到測距儀之間的距離，s為超聲波往返通過的路程，v為超聲波在介質中的傳播速度，t為超聲波從發射到接收所用的時間。為了提高精度，需要考慮不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關系：

　　v=331.4+0.61T （2）

　　式中，T為實際溫度(℃)，v的單位為m/s。

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。

　　壓電式超聲波傳感器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。壓電式超聲波發生器的內部有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，且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，這時即為超聲波接收器。

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）。

超聲波的發射電路