高精度超聲波測量距離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

　　在工程實(shí)踐中，超聲波由于指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而經(jīng)常用于距離的測量。它主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、測距儀、物位測量儀、移動(dòng)機(jī)器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)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(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，在測量精度方面也能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

超聲波測距的基本原理

　　超聲波發(fā)生器在某一時(shí)刻發(fā)出超聲波信號(hào)，遇到被測物體后反射回來，被超聲波接收器接收到。只要計(jì)算出超聲波信號(hào)從發(fā)射到接收到回波信號(hào)的時(shí)間，知道在介質(zhì)中的傳播速度，就可以計(jì)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(zhì)中的傳播速度，t為超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)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(guān)系：

　　v=331.4+0.61T （2）

　　式中，T為實(shí)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(chǎn)生的超聲波，一類是用機(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。

　　壓電式超聲波傳感器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。壓電式超聲波發(fā)生器的內(nèi)部有兩個(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)，且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)即為超聲波接收器。

反射式超聲波測距儀的硬件電路設(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。

　　本超聲波測距儀的具體工作過程如下，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)來啟動(dòng)定時(shí)器的輸入捕捉功能，完成一次超聲波測距的時(shí)間操作。同時(shí)，由溫度傳感器DS18B20測得當(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）。

超聲波的發(fā)射電路