摘要：介紹了利用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)的非接觸式距離檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用于汽車(chē)倒車(chē)時(shí)的報(bào)警、液位和物位的非接觸式測(cè)量，介紹了超聲波傳感器原理及系統(tǒng)各單元的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中采用了AT89C2051型單片機(jī)作為主控制器。把一種直流電機(jī)PWM調(diào)速芯片應(yīng)用到此系統(tǒng)中，使得控制方法簡(jiǎn)便，應(yīng)用范圍增強(qiáng)，同時(shí)可以利用單片機(jī)設(shè)定距離值和輸出控制信號(hào)。最終距離用串行方法在數(shù)碼管上顯示出來(lái)，可以直觀地查看距離值，以實(shí)現(xiàn)測(cè)距、顯示、輸出控制信號(hào)的功能。

非接觸式的距離測(cè)量在工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)中對(duì)距離的測(cè)量，汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)及液位、物位的檢測(cè)系統(tǒng)等。有鑒于此，設(shè)計(jì)了基于超聲波傳感器的測(cè)距控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量和顯示，并能輸出控制信號(hào)及實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通信。與以往類(lèi)似系統(tǒng)不同的是：本設(shè)計(jì)采用了一種直流電機(jī)PWM調(diào)速芯片作為超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路。

其優(yōu)點(diǎn)是：電路簡(jiǎn)單，易于控制，而且對(duì)于不同電壓峰值要求的超聲波傳感器，可以改變其供電電壓值。

顯示部分采用一種串行通訊芯片驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，以節(jié)約單片機(jī)IO口的使用數(shù)量和提高數(shù)碼量，因此，系統(tǒng)應(yīng)用靈活，實(shí)用性強(qiáng)，其模塊化設(shè)計(jì)可嵌入到不同的系統(tǒng)中。

1 超聲波測(cè)距傳感器

超聲波傳感器是一種換能器，它把電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成聲能。本設(shè)計(jì)采用壓電式超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。該傳感器有2個(gè)壓電晶片和1個(gè)共振板，當(dāng)其兩極外加脈沖信號(hào)，且頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波。如果兩極問(wèn)不加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，聲波將迫使壓電晶片振動(dòng)，使機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器。

每個(gè)傳感器的中心頻率都存在一定的誤差，在40 kHz左右波動(dòng)。而且超聲波傳感器發(fā)射波束時(shí)存在發(fā)散角問(wèn)題，一般發(fā)散角都比較大，從而導(dǎo)致了方向性較差。同時(shí)，隨著傳播距離的增大，在不同的發(fā)散角上信號(hào)衰減的程度也有變化。它在空氣中的發(fā)散角及耗散性如圖1所示。

圖1 發(fā)散角與耗散性

采用反射式超聲波測(cè)距的原理是：當(dāng)單片機(jī)控制超聲波傳感器向某一方向發(fā)射波束的同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部開(kāi)始計(jì)時(shí)。在傳播過(guò)程中，超聲波遇障礙物后反射回波。傳感器接收到第一個(gè)反射波后，停止計(jì)時(shí)。由于超聲波在空氣中的傳播速度是340 m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)時(shí)間及公式S=340 t/2,即可得到發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S.

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距系統(tǒng)包括4個(gè)部分，即①發(fā)射電路中振蕩器驅(qū)動(dòng)控制電路；②接收電路中模擬放大、濾波、信號(hào)調(diào)制電路；③數(shù)碼管顯示電路；④單片機(jī)系統(tǒng)及其串口輸出、控制信號(hào)輸出、按鍵輸入部分。其方框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 超聲波發(fā)射單元

超聲波發(fā)射單元包括振蕩電路和驅(qū)動(dòng)電路。振蕩電路是由反相器CD4069組成的非對(duì)稱(chēng)式多諧振蕩器，它產(chǎn)生40 kHz的方波脈沖電路如圖3所示。

圖3 振蕩電路

電路中G2輸出的電壓由于 ,的調(diào)節(jié)，可以改變輸入到G1輸入端的相位。當(dāng)相位達(dá)到同相時(shí)，G1和G2實(shí)現(xiàn)正反饋，G1和G2就成了穩(wěn)定的振蕩器。振蕩周期公式為T(mén)=2.2×Rf×C.因?yàn)镃D4069為CMOS結(jié)構(gòu)，所以邏輯門(mén)前的電阻RP為G1的保護(hù)電阻。當(dāng)RP足夠大時(shí)，G1的輸入電流可忽略不計(jì)。

由于超聲波換能器中心頻率都有偏差，所以Pf采用電位計(jì)，可以調(diào)節(jié)到最佳諧振點(diǎn)，這也是不用單片機(jī)產(chǎn)生方波的原因。電路中Z1,Z2同時(shí)得到相位相反的2路控制脈沖，提供給驅(qū)動(dòng)電路。

驅(qū)動(dòng)控制電路如圖4所示。它采用了L293型直流電機(jī)PWM調(diào)速芯片，它內(nèi)部的H橋電路可以產(chǎn)生相位相反的兩路脈沖。驅(qū)動(dòng)電路的直流電源電壓可以改變，以適應(yīng)不同傳感器對(duì)電壓的要求。振蕩電路中產(chǎn)生方波的Z1、Z2端，分別接到驅(qū)動(dòng)電路1N1,IN2端。控制輸出電路中EN端為輸出使能端，它接到單片機(jī)的P1.7端口，該端口精確輸出高電平時(shí)問(wèn)來(lái)控制發(fā)射方波的個(gè)數(shù)。這在設(shè)計(jì)上使得控制和方波產(chǎn)生相對(duì)獨(dú)立，從而使得電路簡(jiǎn)單、控制精確、易于調(diào)試。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路

3.2 超聲波接收單元