一种高精度超声波测距系统设计

1．1 系统硬件设计
1．1．1 超声波发射电路
    超声波传感器利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化。其发射电路原理图如图1所示。该发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器构成。单片机的P2．1端口输出的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，可以提高驱动能力。上位电阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力；另一方面，还可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。
1．1．2 超声波接收电路
    集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的38 kHz载波频率与测距的40 kHz超声波频率较为接近，设计时可以利用它制作超声波检测接收电路，图2所示就是本文的超声波接收电路。实验证明，利用CX20106A接收超声波，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。另外，适当更改电容C4的大小，还可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。
1．2 超声波测距的软件设计
    超声波测距的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个57 603 Hz的超声波信号后，将立即启动定时计数器和外部中断。当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收。此时，CX20106A会产生一个负脉冲触动外部中断，同时读出并保存计时器寄存器的值，关闭外部中断，同时测量温度，计算超声波速度、测量距离。如果测量距离大于23 cm或是没有接收到回波，就再发送40 kHz的超声波驱动脉冲，重新测量。
    然后再根据前面所述原理计算距离，计算公式为：
    S=T(s×100)／2-0．75           (1)
    式中，S为所测距离，单位为cm；T为发射超声波与接收超声波的时间差，单位为s；s为超声波速度，单位为m／s，由于发射超声波与接收超声波期间，超声波传播的距离为测量距离的两倍，所以要除以2；后面的0．75为实验得出的补偿值。其补偿公式如下：
    s=331．4+0．61temp          (2)
    式中，temp为环境温度；s为超声波传播速度，单位为m／s。


2 系统测试
    笔者通过实验对该超声波测距系统进行了实验。
3 结语
    本文对低成本、高精度超声波测距仪进行了全面的介绍，给出了超声波测距的软硬件设计方法。采用AT89S52单片机作为核心处理单元来降低整体仪器的体积和成本。本设计使用74LS04并以推挽形式驱动超声波发射探头，同时选用CX20106A对接收信号进行放大、滤波、检波并输出负脉冲，完成超声波测距仪自动控制，由超声波驱动频率检测距离。最后在单片机的控制下，将测量距离和环境温度通过液晶屏显示出来。