基于單片機(jī)高精度工程超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究

　　人耳最高只能感覺(jué)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(yīng)用在多種技術(shù)中。超聲波有兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是能量大，一個(gè)是沿直線(xiàn)傳播。它的應(yīng)用就是按照這兩個(gè)特點(diǎn)展開(kāi)的。理論研究表明，在振幅相同的情況下，一個(gè)物體振動(dòng)的能量跟振動(dòng)頻率的二次方成正比。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高，因而能量很大。在我國(guó)北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動(dòng)會(huì)使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi)，就可以增加室內(nèi)空氣濕度。這就是超聲波加濕器的原理。對(duì)于咽喉炎、氣管炎等疾病，藥力很難達(dá)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(jìn)療效。利用超聲波的巨大能量還可以把人體內(nèi)的結(jié)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(dòng)沖擊物品上的污垢，能夠很快清洗干凈。我們?cè)趬Φ囊粋?cè)說(shuō)話(huà)，另一側(cè)的人也能聽(tīng)到，這說(shuō)明聲波能夠繞過(guò)障礙物，如圖6所示。但是，波長(zhǎng)越短，這種繞射現(xiàn)象越不明顯。因此，超聲波基本上是沿直線(xiàn)傳播的，可以定向發(fā)射。如果漁船載有水下超聲波發(fā)生器，它旋轉(zhuǎn)著向各個(gè)方向發(fā)射超聲波，超聲波遇到魚(yú)群會(huì)反射回來(lái)，漁船探測(cè)到反射波就知道魚(yú)群的位置了。這種儀器叫做聲納，聲納也可以用來(lái)探測(cè)水中的暗礁、敵人的潛艇，測(cè)量海水的深度。

　　超聲波測(cè)距的基本原理

　　超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離（s），即：s=340t/2 .這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。

　　超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見(jiàn)，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。

　　測(cè)距的公式表示為：L=C×T

　　式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差（T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半）。超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車(chē)提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段。在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，但是目前國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)距專(zhuān)用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度。通過(guò)分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們?cè)O(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)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(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生的超聲波，一類(lèi)是用機(jī)械方式產(chǎn)生的超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)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(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。

　　反射式超聲波測(cè)距儀的硬件電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度補(bǔ)償電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路構(gòu)成，如圖1所示。

　　本超聲波測(cè)距儀的具體工作過(guò)程如下，在單片機(jī)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)后，由MC9S12DG128B產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，控制外圍電路產(chǎn)生40kHz的超聲波，經(jīng)整形放大后加到超聲波換能器發(fā)射出頻率為40kHz的超聲波。同時(shí)，計(jì)數(shù)MC9S12DG128B內(nèi)部的定時(shí)器，測(cè)量超聲波信號(hào)從發(fā)出到接收所花的時(shí)間，并把經(jīng)超聲波換能器R接收到的超聲波信號(hào)放大、濾波、整形，并作為接收信號(hào)來(lái)啟動(dòng)定時(shí)器的輸入捕捉功能，完成一次超聲波測(cè)距的時(shí)間操作。同時(shí)，由溫度傳感器DS18B20測(cè)得當(dāng)前的環(huán)境溫度，讀入單片機(jī)，然后經(jīng)其處理，在液晶顯示屏上顯示相應(yīng)的測(cè)量值以及當(dāng)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(nèi)資源豐富，接口模塊包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等，在FLASH存儲(chǔ)控制及加密方面有較強(qiáng)的功能。

　　MC9S12DG128B微控制器采用增強(qiáng)型16位S12 CPU，片內(nèi)總線(xiàn)時(shí)鐘頻率最高可達(dá)25MHz；片內(nèi)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(shè)置成4路8位或2路16位，可寬范圍選擇時(shí)鐘頻率；它還提供2個(gè)8路10位精度A/D轉(zhuǎn)換器、控制器局域網(wǎng)CAN和增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器，并支持背景調(diào)試模式（BDM）。