測距技術(shù)在物位檢測、醫(yī)療探傷、汽車防撞等民用、工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，由于超聲波的速度相對于光速要小的多，其傳播時間就比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，發(fā)射強度好控制，且不受電磁干擾影響，因而利用超聲波測距是一種有效的非接觸式測距方法。但超聲波在不同環(huán)境溫度下傳播速度不同，如忽略溫度影響，將影響最終測量精度。本文介紹的超聲波測距儀采用渡越時間檢測法，使用了DS1 8B20溫度傳感器對現(xiàn)場溫度進(jìn)行檢測，并通過軟件計算實現(xiàn)波速的溫度補償，消除了溫度對測量結(jié)果的影響，使測量誤差降低。

1 系統(tǒng)工作原理

超聲波測距原理如圖1所示。

圖1 超聲波測距原理

　　式中c--超聲波波速：t--從發(fā)射出超聲波到接收到回波所用時間。

限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計方法。

由于超聲波屬于聲波范圍，其波速c與溫度有關(guān)，經(jīng)過測量得出超聲波的波速與溫度的關(guān)系，如表1所示。

表1 聲速與溫度的關(guān)系表

　　將測量的速度數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行一階擬合得出：

c=331.6+0.6107xT （2）

式中T--當(dāng)?shù)販囟取?/p>

在測距時，可通過溫度傳感器自動探測環(huán)境溫度、確定其時的波速c.波速確定后，只要測得超聲波往返的時間t,即可求得距離H,這樣能較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過的路程，提高了測量精確度。

本設(shè)計方案中使用渡越時間檢測法，測距儀工作原理為：在由單片機(jī)發(fā)出驅(qū)動信號的同時，開啟單片機(jī)中的計時器，開始計時。發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波，在由接收探頭接收到第一回波的同時停止單片機(jī)計時器的計時，由于超聲波在空氣中的速度已知，根據(jù)公式即可求得探頭與待測目標(biāo)之間的距離。而且，可以在較短時間內(nèi)多次發(fā)出超聲波測量，完成后計算平均值然后顯示。

超聲波在相同的傳播媒體里（大氣條件）傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，但其頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短?？紤]實際工程測量要求，在設(shè)計超聲波測距儀時，選用頻率f=40kHz的超聲波，波長為0.85cm.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)作為主控制器，使用3位數(shù)碼管作為系統(tǒng)顯示屏，超聲波發(fā)射驅(qū)動需要的40 kHz脈沖由單片機(jī)P0.0發(fā)出，使用定時器進(jìn)行計時和控制，超聲波接收使用CX20106A作為接收主控芯片，使用DS18B20作為溫度傳感器進(jìn)行溫度校正。超聲波測距器的系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計原理圖

2.1 超聲波的發(fā)射電路設(shè)計

超聲波發(fā)送模塊是由超聲波發(fā)射探頭組成的，單片機(jī)的P0.0端口直接發(fā)送40 kHz的信號，使用9012三極管做為驅(qū)動放大，驅(qū)動壓電晶片超聲波換能器產(chǎn)生超聲波，超聲波發(fā)射電路如圖3所示。超聲波發(fā)射子程序的流程是，發(fā)射時首先裝填計時器，并且開始計時，當(dāng)超聲波發(fā)射完畢時，定時器計時完畢，并且重新裝填等待下次發(fā)射。

圖3 超聲波發(fā)射電路

2.2 超聲波接收電路設(shè)計

在接收電路中使用了紅外線接收處理芯片CX20106A,因為它處理的是38 kHz的紅外信號，而40 kHz的超聲波信號和它比較接近，并且CX20106A芯片具有很強的抗干擾能力，這個芯片的外圍電路很簡單而且通過外圍電阻調(diào)節(jié)它的中心處理頻率，通過改變外圍電路電容的大小也可以改變接收電路靈敏度和抗干擾能力。

經(jīng)過試驗后發(fā)現(xiàn)用單片機(jī)發(fā)40 kHz信號與使用CX20106A的電路搭配更加簡單合理，使得時間的計算更為精確。

該系統(tǒng)的超聲波接收模塊是由超聲波接收探頭和紅外線接收處理芯片CX20106A組成。如圖4所示。超聲波接收子程序的流程是，利用INT0中斷檢測回波信號，若有回波信號（INT0口低電平）就關(guān)閉外部中斷，同時停止計時器的計時，將測距成功標(biāo)志位標(biāo)記為1（測距成功），同時提取時間值，計算待測距離，保存最終結(jié)果后打開外部中斷，等待下次測量。

圖4 超聲波接收電路

2.3 超聲波測距顯示電路