关于超声波测距器的设计与研究

2013-09-21郑恩兴赵芷卿

时代农机 2013年1期

郑恩兴，赵芷卿

（1.常州刘国钧高等职业技术学校，江苏常州 213000；2.南京林业大学，江苏南京 210037）

1 设计的方案

我们知道，由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因此超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离设计比较方便，计算处理也比较简单，并且在测量精度方面也能达到日常使用的要求。

超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波；另一类使用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。他们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。

2 硬件总体设计

根据设计要求并综合各方面因素，本例决定采用MSP430F123单片机作为主控制器，用动态扫描实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成。同时，由温度传感器DS18B20测得当前的环境温度，读入单片机，然后经其处理，在液晶显示屏上显示相应的测量值以及当前温度。

（1）超声波测距的基本原理。超声波发生器在某一时刻发出超声波信号，遇到被测物体后反射回来，被超声波接收器接收到。只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间，知道在介质中的传播速度，就可以计算出距被测物体的距离：

其中d为被测物到测距仪之间的距离，s为超声波往返通过的路程，v为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发射到接收所用的时间。为了提高精度，需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关

式中，T为实际温度（℃），v的单位为m/s。我们知道，由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因此超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离设计比较方便，计算处理也比较简单，并且在测量精度方面也能达到日常使用的要求。

（2）温度测量模块。DS18B20温度补偿电路是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20使电压、特性有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济测温系统。

（3）超声波发射模块。发射电路主要由反相器CD4049和超声波换能器构成，单片机P2.0端口输出的40kHz方波信号一路经以及反向器送到超声波换能器的一的点击，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两端可以提高超声波的发射强度。输出端采用CD4049可以提高驱动能力。

（4）超声波接收模块。运算放大器U4是高速运算放大器TLV2771。这个放大器具有高增益带宽并在40kHz时提供充分的高增益。运算放大器连接成反相放大器构造。R13、R16设置增益为55、C6提供高频滚降。R10、R22偏置非反相输入端，为运算放大器的单输入工作提供一个虚拟中间值。放大后的超声波信号在这个虚拟中间值。上下波动传感器RX1的高Q值提供选择性并丢弃除了40kHz之外的频率。运算放大器的输出端连接到比较器A的输入端CA0（即端口引脚P2.3）。比较器A的参考电平内部选择为0.5Vcc。当接收到回声时电压高于参考电平从而触发比较器A的输出CAOUT。调整R10可以得到需要的灵敏度并优化测量范围。

（5）单片机系统及显示电路。超声波测距仪主要以单片机MSP430F123为核心。系统采用40kHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，并减小测量误差。单片机有P2.0端口输出超声波换能所需的40kHz方波信号，利用输入端CAO监测超声波接收电路输出的返回信号。显示其采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用三极管9013驱动。