超聲波由于其指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。超聲波測距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場。例如：液位、井深、管道長度等場合。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實(shí)時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在測控系統(tǒng)的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹一種以AT89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。

1 超聲波測距原理

1.1 超聲波發(fā)生器

超聲波是一種頻率超過20kHz的機(jī)械波。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波。一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等;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。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。

1.2 壓電式超聲波發(fā)生器原理

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。它有兩個壓電晶片和一個共振板。發(fā)射超聲波時，壓電傳感器中的壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。接收超聲波時，兩電極間未外加電，共振波接收到超聲波，將壓迫壓電晶片作振動將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號。

1.3 超聲波測距原理

超聲測距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于共振法的應(yīng)用要求復(fù)雜。在這里使用脈沖反射式。

超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)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C，而根據(jù)計時器記錄的測出發(fā)射和接收回波的時間差t。就可以計算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s.即：S：Ct/2。這就是所謂的時間差測距法。由于超聲波也是一種聲波。其聲速c與溫度有關(guān)。表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大。則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>

聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距系統(tǒng)的機(jī)理。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)，是一種低功耗、高性能的、片內(nèi)含有4KB Flash ROM 的8位CMOS單片機(jī)，工作電壓范圍為2.7～6V(實(shí)際使用十5V供電)。

位數(shù)據(jù)總線。它有一個可編程的全雙工串行通信接El，能同時進(jìn)行串行發(fā)送和接收0通過RXD引腳(串行數(shù)據(jù)接收端)和TXD引腳(串行數(shù)據(jù)發(fā)送端)與外界進(jìn)行通信。本超聲波測距系統(tǒng)以的AT89C51為中央處理器，其系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

系統(tǒng)上電工作后，由脈沖發(fā)生器發(fā)出以脈沖信號，該脈沖信號一方面通過驅(qū)動的電路推動脈沖發(fā)生器發(fā)出超聲波脈沖，另一方面，觸發(fā)AT89C51內(nèi)部定時器T1(由外部中斷INT0實(shí)現(xiàn))開始定時;同時由AT89C51控制按時間自動改變放大其增益，即按發(fā)射波未到達(dá)接收器的傳播時問逐漸增大放大器增益。接收到的超身回波經(jīng)過發(fā)大、濾波后，一是直接送給鑒幅器，二是經(jīng)峰值保持電路提取回波峰值作為閾值的基準(zhǔn)信息。AT89C51通過ADC0809采樣回波峰值，經(jīng)過軟件加權(quán)處理后作為鑒別閾值，再經(jīng)過DAC0832送給鑒幅器。當(dāng)回波包絡(luò)中某個波被鑒別出來時，則立即觸發(fā)外部中斷INT1關(guān)閉定時器T1，同時，P1.1設(shè)置檢測窗口;由TO計數(shù)器窗口內(nèi)鑒別回波個數(shù)12，根據(jù)n確定下次鑒別給定值的大小，閉環(huán)控制至n≤5為止。然后從補(bǔ)償值表中取出與rl對應(yīng)的補(bǔ)償值，對T1的計時時問(實(shí)際上這是從發(fā)射超身波到接收到第一個鑒別回波之問的計數(shù)值，計數(shù)周期為lUS，12M品振)進(jìn)行修正，獲得超聲波實(shí)際的往復(fù)傳播時問，再通過3字節(jié)浮點(diǎn)運(yùn)算求出距離，由AT89C51串行通信口送LED顯示。本系統(tǒng)每隔5s采樣一次環(huán)境溫度，以修正聲速，所以在系統(tǒng)還可以加入溫度傳感器來監(jiān)測環(huán)境溫度，把表l所列的數(shù)據(jù)做到程序中可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

3 補(bǔ)償及測距原理

不同形狀和位置的對象物，其回波波形大致，只是波幅不通。于是，該系統(tǒng)采用了變閾值鑒幅固定補(bǔ)償法：

(1)采用微處理器閉環(huán)控制自動改變閾值;

(2)在超聲回波中鑒別其包絡(luò)峰附近少于6個波的第一個波，形成關(guān)閉定時器的觸發(fā)信號，并同時設(shè)置檢測窗口;

(3)計數(shù)檢測窗口內(nèi)的鑒別回波格式n(鑒別回波=窗口內(nèi)鑒別回波數(shù)+1)個;

(4)判斷n的大小，若n>5，則減小鑒別規(guī)定閾值，轉(zhuǎn)到(2)重新檢測。 若≤5，則從先驗(yàn)的固定補(bǔ)償值表中取出與n相對應(yīng)的補(bǔ)償值進(jìn)行修正一其鑒別回波提取及補(bǔ)償時間表示如圖3所示。

補(bǔ)償修正公式：

可見，不同的At對應(yīng)不同，作為先驗(yàn)數(shù)據(jù)先通過實(shí)際測試、觀察得到，建立補(bǔ)償值表存在存儲器中。

本超聲波測距系統(tǒng)的誤差主要由系統(tǒng)誤差、環(huán)境誤差、檢測誤差、定時時間誤差、補(bǔ)償時間誤差等組成。該系統(tǒng)采用變閉值固定補(bǔ)償法后，可以補(bǔ)償時間誤差較小。

提高了檢測信號的S/N比，從而提高了超身波測距的精度和范圍。

4 超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計

AT89C51單片機(jī)和其開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)具有語言簡潔、可移植性好、表達(dá)能力強(qiáng)、表達(dá)方式靈活、可進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計、可以直接控制計算機(jī)硬件、生成代碼質(zhì)量高、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。超聲波測距儀就是用A F89C51單片機(jī)開發(fā)設(shè)計的。它采用模塊化設(shè)計，由主程序、定時干程序、顯示子程序等模塊組成。在此給出主程序框框圖。如圖4所示。

5 結(jié)論

對固定材料、結(jié)構(gòu)的超聲波傳感器，其檢測波特性不變，即再發(fā)射傳感在同一激勵電壓源作用下發(fā)射超身波，其反射波的波形變化規(guī)律，不會因?yàn)閷ο笪镱愋停嚯x的改變而變化，只是波幅不同而已。故該系統(tǒng)采用了變閾值鑒幅固定補(bǔ)償法，減小了誤差，從而提高了測距精度。該系統(tǒng)發(fā)射脈沖電壓為20V，對平面物體做了多次測量發(fā)現(xiàn)，測距范圍為10m，測距精度為0.2%。可見基于單片機(jī)設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量誤差小等特點(diǎn)。

因此，它不僅可用于移動機(jī)器人，還可用在其它檢測系統(tǒng)中。