摘 ? ?要： 文章在闡述了超聲波特性及超聲波測距原理之后，設計了以單片機為核心的超聲波測距裝置的總體方案，詳細介紹了超聲波發送、接收處理電路，旨在通過分析超聲波的溫度補償、回波補償、串擾、余震等對測距裝置的影響，歸納總結抗干擾的方法，提出抑制干擾的硬件解決方案。

關鍵詞： 超聲波 ? ?距離測量 ? ?干擾抑制 ? ?單片機

1.引言

超聲波屬于機械振動波，其頻率大于20kHz，它波長短，能量密度集中，方向性好，在介質中只有很小的衰減，穿透能力強，鋼板、墻體內均可傳播，速度快。但是超聲波在空氣中傳播速度與音速不相上下，常溫下為340m/s。因此，可通過測量超聲波傳播的時間，測量距離、厚度等[1]。

超聲波測距是一種非接觸式的距離測量方法，其測量精度除了受溫度影響較大之外，還存在超聲波回波串擾、余震等現象。這些干擾因素不僅會造成較大的測量誤差，而且會影響到測量的正常進行。因此，必須采取一些抗干擾措施，降低測量誤差。

2.超聲測距原理

常用的測距方法分為脈沖回波法和相位差法。相位差法的測量存在多個不確定性，而解決方式較復雜，本文不作論述。而脈沖回波法[2]的工作原理是：用超聲波發射器向外發射超聲波，同時接收從被測物體反射回來的回波，檢測從發射超聲波至接收回波所花的時間ToF（Time of Flight），按式（1）計算超聲波發射器與被測物體之間的距離d，即：

d=■c×ToF ? ?（1）

其中，c為空氣介質中聲波的傳播速度。

3.超聲測距裝置的總體設計

能夠產生超聲波和接收到超聲波是超聲波測距的前提，而能夠完成此功能的器件是超聲波傳感器，也叫做超聲波發射器或探頭。超聲波傳感器有收發一體化的，也有發送器和接收器分開的。超聲波傳感器是利用壓電效應或磁致伸縮效應原理工作的，它在發射超聲波的時候，將電能轉換成超聲波（機械波）發射出去，而在收到回波時將超聲波轉換成電信號進行處理。

超聲波測距裝置總體設計框圖如圖1，由發射電路、接收電路、濾波放大電路、單片機最小系統、顯示電路等組成。發射探頭發射頻率為40kHz超聲波脈沖，同時啟動單片機計時（使用定時器）。超聲波在空氣中傳播，當經到達被測物時，其反射波被接收探頭接收，經檢測電路得到有效回波。這時，單片機引腳INT0檢測到電路的外部中斷而停止計時，此時計時器所計時間即是超聲波傳播的時間ToF。

圖1 ? ?總體設計框圖

4.超聲波產生和發射

超聲波發射電路如圖2所示，它是由555時基電路構成的多諧振蕩器電路形式，可產生頻率可調的脈沖信號。此設計的優勢是避免由單片機來發生脈沖信號，可節省單片機的系統資源。發射電路受單片機引腳的控制，當該引腳輸出為高電平時，振蕩器開始產生頻率為40kHz的方波脈沖。超聲波探頭在周期性方波信號的激勵下，持續不斷地發射超聲波[3]。

圖2 ? ?超聲波發射電路

本裝置采用間斷多脈沖發射，每次發射若干個脈沖，系統檢測到第一個被反射回來的脈沖波，即可計算被測距離。

5.超聲波接收和處理

5.1回波的接收和放大

超聲波探頭接收的回波電壓幅值小且帶有雜波信號，因此必須進行濾波、放大后供單片機檢測。超聲波發射時是固定頻率40kHz的，在選頻電路中只允許40kHz信號通過并放大，送至單片機進行傳播時間計算和相關數據的顯示。

圖3 ? ?超聲波接收和處理的一般電路

5.2時間增益補償電路

如圖4所示，超聲波的信號衰減程度由傳播距離的遠近及聲程決定，其原因如下式：

I=I■e■ ? ?（2）

其中α為空氣衰減系數，I■為最初聲強，I為衰減后的聲強。

衰減嚴重的信號將有可能接收不到而導致測量誤差。鑒于此，我們采用比較器電路，將圖4中鐘形形狀的回波脈沖與固定的基準電壓進行比較，將回波進行整形補償，結果亦在圖4中。

由此進行的幅度補償稱為時間增益補償（Time Gain Compensation， TDC）[4]，如圖4所示為補償前后的波形對比。

圖4 ? ?時間增益補償

5.3回波串擾問題的解決

超聲波測距裝置中，發射探頭和接收探頭挨得非常近，有部分超聲波直接就從發射探頭進入接收探頭，并不是從被測物體上反射的真實信號，這種情況稱為串擾，會給測量帶來很大的誤差[5]。

一般來說，串擾信號的幅值比真實的回波信號幅值要大一些，原因是這部分信號幾乎沒有衰減。因此，可以設計一個閾值電路[6]，如圖5所示，進行單限電壓比較，這樣就可以達到去除串擾信號除的目的。

圖5 ? ?去串擾超聲波接收電路框圖

5.4余震問題的解決

在測距的過程中，超聲波的發射是每發出若干個脈沖之后停發一次，接著繼續發射，如此循環往復。但是任何振動的物體在振動力撤除之后并不是立即就停止振動，古代有“余音繚繞，繞梁三日“即是形容此種現象。超聲波測量時脈沖是間歇式發送的，超聲波探頭也會在某個瞬間停止發射。這時超聲波探頭由于機械慣性的作用，仍然會振動而發出超聲波，此種情況被稱為余震。如同串擾問題一樣，有一部分超聲波信號直接從發射探頭來到接收探頭從而影響測量精度。因此，如圖6所示，在裝置中通過增加單穩態觸發器電路進行延時以“躲過”余震信號，使其不被有效接收，從而消除余震的干擾。

圖6 ? ?去余震干擾超聲波接收電路框圖

5.5溫度補償

空氣的溫度并非是恒定的。超聲波在空氣中傳播時，傳播速度會受到影響，進而影響到超聲波測距裝置。超聲波在空氣中是以縱波形式傳播的，由于氣體分子的密度受溫度及成分的影響[7]。

聲速隨溫度變化的公式為：

V=331.4+0.607T（m/s）

其中，T為攝氏溫度。

圖7 ? ?測溫電路框圖

溫度測量電路的一般原理如圖7所示。測量溫度在硬件上有兩種方案，一種是采用溫度傳感器輔以濾波、放大、A/D等電路，被轉換成的數字量送到單片機內進行計算得到當前溫度下的超聲波傳播速度。另一種是直接購置溫度集成芯片，測量后直接發送數字信號給單片機。

前者設計電路較多，增加了成本和干擾進入電路的機會;后者抗干擾性強，雖然芯片稍貴一點，但性價比高，比如DS18B20。

DS18B20能將溫度信號直接轉換成串行數字信號供單片機處理。除了具有結構簡單、體積小、功耗小、抗干擾能力強、使用簡等優點外，還有以下特性：

三引腳設計：電源、地及信號端三根線，只要一條線就可以與單片機進行雙向雙向通訊;

將傳感器與處理電路集成于一體;

測溫范圍寬，從零下55攝氏度到155攝氏度均能勝任，分辨率達到0.5℃;

完成一次溫度轉換時間極短，不到ls;

測量數據串行發送。

6.結語

在超聲波測距裝置的設計中，充分考慮各種可能出現的干擾因素，精確測量傳播時間，是提高超聲波測距精度的關鍵。本文充分考慮在超聲波接收中的串擾、余震等現象，采用增加時間增益補償電路、單限電壓比較器和單穩態觸發器提高抗干擾能力，提高超聲波測距的精度，可廣泛應用于實驗教學、液位測量、障礙物識別及自動導航等領域。

參考文獻：

[1]洪志剛，杜維玲，熊小青.傳感器原理及應用[M].長沙：中南大學出版社，2007.

[2]孔雅瓊.基于單片機的超聲測距儀研究與開發[D].長沙：國防科學技術大學，2007.

[3]安宗權，冷護基.基于ATmega8單片機的超聲測距儀[J].計算機測量與控制，2005.13：11.

[4]張珂，劉鋼海.提高超聲波測距精度方法的研究[J].現代電子技術，2007（15）.

[5]蘭少瑩.無串擾超聲測距系統編碼激勵與回波處理[D].天津：天津大學，2008.

[6]羅小燕，譚厚初.超聲測距系統中抗干擾措施的研究[J].江西理工大學學報，2007.27：6.

[7]操文祥.基于單片機的超聲測距系統[D].蕪湖：安徽大學，2007.

基金項目（課題）：

2008年度中山職業技術學院教研教改項目“超聲波測距實驗教學裝置的研制”，項目批準號：JYB0802，主持人：李中帥。