一種新型超聲波測距儀的設計與研究

王強　王高亮

摘要：與其他測距方法相比，超聲測距具有更大的優勢和更廣泛的應用前景。本文詳細闡述了一種基于AT89S51單片機的新型超聲波測距方式。超聲波幾乎不被光線、煙霧、電磁場等所干擾；此外，超聲波換能器的內部構造比較簡易、空間利用率高并且易小型化與集成化。該系統著重設計單片機的硬件接線模塊、超聲波發射模塊以及接收模塊。空氣中的超聲波傳播速度對溫度有一定的依賴性，因此，為進一步提升系統的測量精度，在此基礎上設計了基于DS18B20的溫度補償電路，同時設計了WT588D智能語音提示電路和用來提示或者報警的蜂鳴器以此達到實際使用時方便快捷的目的，最后由顯示電路顯示。文章最后通過實驗仿真以及通過硬件進行測距實驗驗證了該系統具有良好的測量精度和抗干擾性的優點。

關鍵詞： 超聲波測距； AT89S51單片機； 超聲波傳感器； LED顯示； 智能語音提示

中圖分類號： TH761.2

文獻標志碼： A[

文章編號： 2095-2163（2017）05-0146-04

Abstract： Compared with other ranging methods， ultrasonic ranging not only has more advantages， and also has more applications. This paper introduces a new type of ultrasonic ranging finder system based on MCU. The ultrasonic is hardly influenced by light， smoke， electromagnetic interference etc.； in addition， the ultrasonic sensor has exhibited such the following favorable performance as simple structure， small volume and easy miniaturization and integration. Based on the above， the ultrasonic is very suitable for noncontact measurement. The system design includes the hardware connection circuit of MCU controller， ultrasonic transmitting circuit and ultrasonic receiving circuit. The propagation velocity of ultrasonic wave in air has a certain dependence on temperature， therefore， in order to better improve the measurement accuracy of the system， the temperature compensation circuit based on DS18B20 temperature sensor is designed， and the WT588D intelligent voice prompt circuit is developed， and the buzzer for prompting or warning is adopted to actual use conveniently， furtherly visual results are given out by the display circuit. In the end， the system is proved to have good features of measurement accuracy and antijamming by the experiment simulation and the hardware ranging experiment.

Keywords： ultrasonic ranging； AT89S51 MCU； ultrasonic sensor； LED display； intelligent voice prompt

0引言

近年來單片機控制和傳感器技術快速發展，市場對這方面的要求也不斷提高。其中，頗具發展勢頭的非接觸式測量在許多領域均涉及到。當前有很多種常用的非接觸測距的方法，綜合比較起來，尤數超聲波測距要更為便捷，基于超聲波測距的各種優點，通過超聲波進行距離測量的方法被廣泛應用于液位測量等領域[1]。

當今市場對超聲波測距的精度要求不斷有著更高的要求，中國一些研究人員在新型超聲換能器中超聲功率的控制和最大探測距離的改進研究方面取得了一定的成績。不足的是，在新型超聲波傳感器的制造工藝、測距范圍、超聲原理創新以及線性度的探究還遠遠不夠，因此，在這個領域，需要學界繼續深入研發的內容還有很多。

AT89S51單片機在提高系統靈活性和降低成本方面提供了很多的解決辦法。如果能充分利用AT89S51芯片，便可以在少量的外加電路的情況下實現一個相對完整的超聲波測距系統的范圍。依據超聲波測距的理論，本文研究了以AT89S51單片機為核心控制部件的高精度而且成本低的超聲波測距系統[2]，通過分析各模塊設計，同時也為了進一步有效提高超聲測距儀的測量精度以及獲得高度的分辨力，依據超聲波的傳播速度與溫度之間的聯系，采用了溫度傳感器DS18B20設計了能夠使該系統功能更加完善的溫度補償電路以此來提升系統的測量精度和分辨力。

1超聲波測距原理和方法

1.1超聲波簡介endprint

本文中研究的超聲波（Ultrasonic）基本上與聲波相同，但超聲波頻率較高，這是一種頻率范圍在20 KHz以上的聲波，兩者之間有相似的地方，相似點便是兩者均屬于一種機械振動的形式，而其在非塑性介質中也均是以縱波的形式進行傳播；超聲波在介質中的穿透能力及指向性相比聲波更強，此外，與聲波相比，超聲波能夠獲得相對聚焦的聲能，當這2種波在水中傳播時，超聲波傳播能力強于聲波；因此，將超聲波應用在測距、清洗消毒方面都非常適宜，同時也具備更高的效率。超聲波頻率有其自身的范圍，就是擁有一個大于人類聽力上限的下限頻率。超聲波對環境沒有太多的要求，對所處環境的電磁波、顏色等變化不靈敏，所以其在應用上也堪稱廣泛，當一些場合需要通過非接觸而對目標距離進行測量的時候，比如汽車倒車以及其他各種適用的場合，超聲測距都可以得到充分的應用表現。通過科研人員一系列的研究和實驗證明，物體振動所產生能量和振動頻率高低成正線性相關，然而當超聲波在非塑性介質中傳播時，[JP3]振動的振幅必須相同，如果質點能夠具備較高的振動頻率，這時候所產生的能量就會隨著頻率的增大而增大。[JP]

1.2超聲波的傳播速度

超聲波傳播速度（Ultrasonic velocity）未必是恒值不變的，并且與所位于的介質固有特性有很大的聯系，比如傳播介質的彈性模量和密度，超聲波與其都有直接的關系。當超聲波在塑性模量和所處介質的密度都為一個固定的數值進行傳播時，其速度也將會是恒值不變；在其進行傳播時所處介質不一樣的情況下，速度也會有所變化；其次，如果超聲波的波形不一樣也會在某種程度上影響其傳輸速度，另外，超聲波傳播時的非塑性介質形式不一樣時[3]，也會對其造成不容忽視的影響；超聲波傳播距離的遠近不僅會被空氣本身一定的吸收能力影響，同時，環境溫度、介質的潮濕度和所處環境的壓強大小也可以波及到超聲波的傳播遠近，并且對超聲波衰減有明顯作用；溫度和其它幾個影響因素一樣也是決定聲速的一個重要條件，當在實際應用時，若溫度的變化不是特別明顯，那么就可以認為傳播速度是不變的。

在實際測量聲波的過程中，可以采納相位對比法（Li Saru圖）和干涉（駐波法）的測量方法，在這個過程中，需要注意的是，當頻率發射信號從其固有頻率和振幅迅速衰減到振幅為零，不利于觀察。基于這一原因，通過改變頻率和固定的距離，同時獲得聲速的方法并不可以采納。

2超聲波傳感器的工作原理

超聲波傳感器也稱為超聲波換能器，具體包含：壓電晶體與鎳鐵鋁合金。首先，晶體有中心對稱型和與之相反的非中心對稱型兩種，這里提到的壓電晶體就屬于非中心對稱中的一種，該晶體特點就是會在施加外力的作用下產生一定的形變，在這時，帶正電粒子將在晶體本身的形變影響下，出現相對位移，此外，壓電晶體會受到粒子相對位移的影響，壓電晶體的表面會產生一定量的正電荷和極性相反的負電荷；鎳鐵鋁合金又可以稱作磁致伸縮，磁性材料會受到材料本身磁化狀態的作用，在該狀態下此材料大小形狀將會在各個方向上產生與原狀態不同的形變。除了溫度的變化可以改變磁性材料的形狀外，在外部磁場的作用下，磁性材料的形狀也同樣會發生微小的改變，若將磁場撤去，就重新回到原來的狀態[4]。

目前，實際中常應用的超聲波傳感器大部分都為壓電式的，大體上來說，傳感器分可逆和不可逆，由壓電晶體所組成的傳感器就屬于可逆類型傳感器，所謂可逆傳感器，就是這種傳感器可以作為發送器使用，同時也可以將其當做接收器應用到實際中。探討研究后，本系統選用了型號HC-SR04的超聲波傳感器。壓電材料的2種效應包括：正壓電效應和逆壓電效應，超聲波傳感器中壓電傳感器這一類就是通過壓電材料這兩種效應來運行的[5]。所謂壓電材料的正壓電效應是說，如果某一方向的外界作用力施加到壓電晶體，那么，該壓電晶體內部將會發生電極化的現象[6]；此外，受到外界施加的力的影響，壓電晶體將會在材料表面產生完全不同的電荷，當外界施加力撤掉，晶體將變為不帶有電荷的電中性狀態[7]；電荷的極性與外力作用的方向是有正比關系的。與之不同的是，當壓電式晶體處于一直變化著的電場時，壓電式晶體會隨著所在電場的變化而隨之產生一定量的變形，壓電材料產生的這種大小以及各方面狀態上的變化在研究中即可稱作壓電式材料的逆壓電效應。[JP]

由于超聲波在介質中以通常呈線性狀態直接傳送，因此，就有了超聲波在非塑性介質中傳播時差異的存在，主要表現是，超聲波的傳播頻率與反衍射能力存在一定關系，頻率越高，反射能力強，衍射能力很弱，借助這些指標間的微妙關系，所以就可以利用時差檢測方法來檢測目標對象的范圍。

超聲波傳感器通常使用為超聲波的發射部件與所對應的接收部件，這些均為能量轉換裝置的一種[8]。超聲波傳感器由以下4個模塊構成：超聲波發射器與接收器、控制模塊以及供電模塊[9]。

3超聲波測距系統的硬件設計

3.1主控制模塊的設計

以最精簡配置保證正常運行的單片機系統被稱為AT89S51單片機最小系統，即由如下主要模塊構成：電源模塊、復位模塊、時鐘模塊。其中，當單片機引腳9有大于或等于2個機器周期時，單片機將會復位，該過程隨之重新進行；振蕩器模塊將會發出定值頻率，而當該頻率與所選晶振的頻率一樣時，就可以引入外界晶振，當然，也可以由外部單獨輸入單片機[9]，此時XTAL2端口接地，而時鐘信號則由XTAL1輸入；VCC引腳以及GND引腳為構成單片機最小系統的電源模塊，過程中正常工作的電壓為4～5.5 V。

3.2超聲波發射電路的設計

本文傳感器類型采取的為收發共用型，但因為回波信號質量取決于發射端發出的信號質量是否達到系統要求。該系統設計不僅對所選用的超聲波傳感器性能有高要求，對傳感器發射和接收部件所接收到的一級信號均有較高的限制。因此，只有保證這2個方面都占據顯著優勢，才能夠進一步實現整個系統的精度和靈敏度。endprint

由于超聲波在整個發射的過程中會被環境因素所影響而有所衰減，因此，本系統設計中將P1.0口輸出的方波信號的AT89S51單片機一方面通過74LS04到達一個探測器的電極后，另一方面，經由兩74LS04到達另一個電極的超聲探頭后，之所以采用這種方法，是因為通過采用這種方式可以在超聲波2端添加方波信號，此外，應當盡量減少各種不利的環境因素對超聲波發射信號的影響；由于發射機電路的輸出必須具有很高的驅動能力，故而為了彌補這一缺點，也是為了有效提高發射電路的驅動能力，本論文在輸出端借助使用2個反向器并聯的方法，最終實驗證明，該方法能夠達到使輸出端驅動能力提高的效果；此外，換能器振蕩時間的限制也會對提高其驅動能力有一定的作用，圖1中電阻的作用就是，通過加大超聲波傳感器的阻尼效果進而來減少傳感器的不穩定時長，如此即會提高反向器輸出高電平的能力[10]，最終達到有效增強輸出和發射驅動能力的目的。本次設計中，超聲波發射電路如圖1所示。

3.3超聲波接收電路的設計

超聲波接收電路可分為3個部分：超聲波接收探頭、波形轉換以及信號放大電路[11]。當超聲波在空氣介質中進行傳播時，超聲波的能量會受到外界各種因素的影響，其能量將會因為超聲波在介質中傳播間隔的不斷加大而有所削減[12]，如果使用超聲波測距，被測目標距離很遠，超聲波探頭接收的回波信號就會非常微弱，所以，設計接收電路時充分考慮信號放大電路就顯得尤為重要；除此之外，各種雜波和干擾等環境因素對超聲波檢測到的回波信號也會產生負面效應，因此為了盡量減小這種不必要的影響，選用濾波特性較好的電路能夠做到更方便地檢測回波信號。在這個系統中，采用了CX20106A芯片的目的是為了檢測紅外線，當其被用為超聲接收信號處理電路，也就是說芯片可以接收到超聲波探頭形成的40 MHz方波信號時，該芯片將會出現一個中斷信號作為一個單脈沖和MCU外部脈沖信號中斷引腳連接，可以當作一個系統中斷信號輸入。[JP3]該芯片集成電路不僅能實現相應的信號放大與幅值限制，同時，也有額外作用，例如，峰值測量、帶通濾波與整形。由CX20106A芯片作為核心的超聲波接收電路模塊則如圖2所示。

4結束語

本文重點說明了一種基于AT89S51MCU的超聲波測距設計，做出了基本的超聲測距硬件設計，并且邏輯分析了軟件部分。超聲波測距原理的應用定制可如圖3所示。

超聲波傳感器作為設計的關鍵部件，文中對超聲波傳感器工作過程、內部構成以及其優缺點作了詳細的敘述。AT89S51單片機是本系統中的主控制器模塊，會產生使超聲波傳感器工作所需要的40 KHz的信號。該設計中的發射部分由74ALS04反相器驅動發射超聲波，這一模塊對MCU發出的信號進行適當的放大處理來使換能器工作。本文設計中的接收模塊采用的是CX20106A芯片，這個模塊里的前置放大器具有自動增益控制功能，即AGC功能。考慮到溫度容易對超聲波的傳播造成的不可忽略的影響，本系統又借助了DS18B20完成溫度補償，能夠有效減小外界環境溫度影響的誤差。本設計中的顯示部分使用的是LED動態掃描方式。最后，采用WT588D語音模塊，達到在實際操作中方便快捷的使用目的。

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