基于ATMEGA8的低成本超声波测距仪设计

许红梅，刘相华

（山东省东营市垦利县供电公司，山东 垦利 257500）

近些年来，随着超声技术研究的不断深入，再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声的应用变得越来越普及。目前，已经广泛应用在机械制造、电子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工业领域。

目前常用的测距方式，主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距4种。超声波测距，多应用于汽车倒车雷达、机器人定位[1]、建筑工地以及一些工业现场的位置监控，如液位、井深的测量等场合。石油石化行业对油库和水箱液面的精确测量和控制的要求，越来越严格。

基于以上需要，笔者以ATMEGA8单片机为控制核心，设计了一种低成本的小型化超声波测距系统[2]，并介绍了系统的硬件和软件设计方法。

1 超声波测距基本原理

超声波测量技术，是基于蝙蝠等无目视能力的生物防御及捕捉猎物生存的原理[3]，利用超声波（20 kHz以上的机械波）借助空气媒质传播，通过遇到障碍物反射回来的时间间隔长短，及被反射超声波的强弱，判断障碍物性质和位置的方法。

本系统采用时间间隔检测法，即测距时，超声波发射器有规律发射超声波，遇到被检测对象后，反射回来，通过超声波接收器接收到反射波信号，并将其转变为电信号，测出从发射超声波至接收到反射波的时间差（时间间隔t），如图1所示。

图1 超声波发射和接收时差

t 与超声波传播速度c 相乘，可求出被测距离s，即

由于超声波的声速和温度有关[4]，如果温度变化不是很大，认为声速基本不变。如果测距精度要求很高，那么可以通过温度补偿的方法，来加以校正。不同温度下，超声波在空气中的传播速度，随温度变化关系为

式中，T 为实际温度；c 的单位为m/s。

2 超声波测距系统设计

根据超声波的工作原理，结合现场的使用需要，设计了一种低成本、低功耗的超声波测距系统。超声波测距系统框图如图2所示。

图2 超声波测距系统框图

2.1 超声波测距系统硬件设计

结合应用要求，根据超声波测距原理，以ATMEG8单片机为核心[5]，利用ATMEGA8单片机自带PWM输出40 kHz超声波信号，通过相应放大电路后发射超声波。反射回来的超声波，经过前置放大、带通滤波、检波比较和波形整形后，送入ATMEGA8单片机，其中发射和接收信号间的时间差利用ATMEGA8单片机内部定时器进行测量，最终计算得到相应的距离。

采用AVR系列8位单片机ATMEGA8为核心控制器件，控制超声波的产生、超声波反射信号接收、数据处理和测量结果显示等。ATMEGA 8是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位单片机，自带3路PWM输出和比较和捕获模式的16位定时/计数器，其可以达到接近1MIPS/M的性能，运行速度比普通CISC单片机高出10倍，执行指令时间短，集成度高，价格更低。

超声波发射电路，主要由缓冲反向器CD4049和超声波换能器构成。CD4049为六反相缓冲器，具有可以仅使用单一电源，就可实现电平转换的功能，其输入电压为-0.5～+18 V。

为了进一步增大输出的功率，满足超声波换能器的最佳发射电压要求，由PB1发出的PWM波，经过三极管9013做电平转换之后，在CD4049的第3脚所加电平，就可转换为12 V的高低电平。在经过反相器的并联推挽之后，在超声波发射头的两脚上所加的电压峰峰值就为24 V，有效提高驱动能力，延伸测量范围。超声波发射电路如图3所示。

图3 超声波发射电路

超声波接收电路，由音频放大器NE5532和比较器LM311组成。音频放大器NE5532进行前置放大后，由电平比较器LM311产生检测输出信号。具体超声波回波接收处理电路图如图4所示。

图4 超声波接收电路

超声波传感器接收到的微弱信号，首先由NE5532的U3：A进行一级放大，根据R4与R1的电阻比值，可知这一级放大约为100倍，；C5为高频干扰滤波电容，增强抗干扰能力，一级放大后由C6隔离送入第二级放大，同样约放大100倍，这时的信号已经达到了1V左右，可以送入比较器LM311进行后续信号比较了。

LM311作为宽电源电压的通用电平比较器，拥有较高灵敏度与抗干扰能力。LM311的第2脚输入为经过NE5532放大后的超声波回波信号；而LM311的第3脚输入为比较电平，通过调节可变电阻RW1的阻值，可使比较电平在0～12 V之间变化。为保证每次接收信号，都能被准确的鉴别出来，转换成数字脉冲去触发单片机的外中断引脚，通常采用某一固定电平或滑动门限电平作为比较电平。以零电平作为比较电平是行不通的，因为放大后的信号中，含有一定幅值的噪声，这样一来，即使没有接收信号，也会造成比较器反复触发，从而无法判断那个信号是真正的接收信号。若采用某一高于一般噪声峰值的固定电平，就可以削除一般噪声的影响，而且比比较电平固定，可以实现对电路信号的准确检测。

温度测量选用DALLAS公司的DS18B20数字式温度传感器，其通过输出9位（二进制）数字来直接表示所测量的温度值，温度值是通过DS18B20的数据总线直接输入CPU，无需A/D转换，而且读写指令，温度转换指令，都是通过数据总线传入DS18B20，无需外部电源。

2.2 超声波测距系统软件设计

整个超声波测距系统超声波信号的发射和接收、数据的传输以及计算，都是由单片机内部程序完成的。

程序采用的是时间间隔测量法[6]，由ATMEGA8控制芯片内部PWM发生器产生40 kHz的超声波信号，每次测量发射的脉冲数至少4个完整的40 kHz脉冲。发射信号前要打开定时/计数器，以保证发出超声波脉冲数目满足要求。

满足一定值后，再开启检测回波信号,以避免余波信号的干扰。采用外部管脚比较和捕获功能对回波信号进行检测（回波信号送到单片机的为方波脉冲）。

接收到回波信号后，立即读取计数器中的数值，此数据即为需要测量的时间差数据。

考虑温度和发送脉冲波持续时间对系统测量精度的影响，需要根据当前温度和发射脉冲持续时间，对测量结果进行修正。为减小测量数据的误差，每次测距都需要测量多次，在获取多组数据后取其平均值，作为测距最终值，具体程序流程图如图5所示。

图5 超声波测距系统程序流程图

3 实验结果分析

在实际测试时，充分考虑现场应用环境和系统测量范围的要求，测距范围是30～120 cm之间，在此范围内，每隔5 cm进行一次测量、修正，选取10组测量数据，如表1所列。

表1 超声波测距系统试验结果

以上测量数据，经过MATLAB进行处理比较，其对应曲线如图6所示。表明实际测量时存在一定的误差，该误差主要来源于系统产生PWM即超声波发出与接收的时间差计算，以及反射回波开始反射的位置等。

图6 基于MATLAB的结果处理曲线

4 结束语

本系统在实际实验中，充分利用ATMEGA8单片机内部的软件资源，利用其脉宽调制功能产生40 kHz的超声波，使整个系统电路结构简单、精度较高、软件的升级和更新方便，较好的满足了现场的测量要求。

[1]纪良文，蒋静坪.机器人超声测距数据的采集与处理[J].电子技术应用，2001，(9)：23–27．

[2]潘宗预，潘 登.超声波测距精度的探讨[J].湖南大学学报，2002，29(3)：18–21．

[3]李茂山.超声波测距原理及实践技术[J].实用测试技术，1994，(1)：12–20．

[4]李 彬，李庆坤.基于温度补偿的超声波测距设计[J].计量技术，2007，（7）：12–14．

[5]马 潮，詹为前，耿德根.Atmega8原理与应用手册[M].北京：清华大学出版社，2003．

[6]孙 杰，潘继飞.高精度时间间隔测量方法综述[J].计算机测量与控制，2007，15(2)：145–148．