一種新型超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)與研究

王強(qiáng)　王高亮

摘要：與其他測(cè)距方法相比，超聲測(cè)距具有更大的優(yōu)勢(shì)和更廣泛的應(yīng)用前景。本文詳細(xì)闡述了一種基于AT89S51單片機(jī)的新型超聲波測(cè)距方式。超聲波幾乎不被光線、煙霧、電磁場(chǎng)等所干擾；此外，超聲波換能器的內(nèi)部構(gòu)造比較簡(jiǎn)易、空間利用率高并且易小型化與集成化。該系統(tǒng)著重設(shè)計(jì)單片機(jī)的硬件接線模塊、超聲波發(fā)射模塊以及接收模塊。空氣中的超聲波傳播速度對(duì)溫度有一定的依賴性，因此，為進(jìn)一步提升系統(tǒng)的測(cè)量精度，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于DS18B20的溫度補(bǔ)償電路，同時(shí)設(shè)計(jì)了WT588D智能語(yǔ)音提示電路和用來(lái)提示或者報(bào)警的蜂鳴器以此達(dá)到實(shí)際使用時(shí)方便快捷的目的，最后由顯示電路顯示。文章最后通過實(shí)驗(yàn)仿真以及通過硬件進(jìn)行測(cè)距實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有良好的測(cè)量精度和抗干擾性的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 超聲波測(cè)距； AT89S51單片機(jī)； 超聲波傳感器； LED顯示； 智能語(yǔ)音提示

中圖分類號(hào)： TH761.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A[

文章編號(hào)： 2095-2163（2017）05-0146-04

Abstract： Compared with other ranging methods， ultrasonic ranging not only has more advantages， and also has more applications. This paper introduces a new type of ultrasonic ranging finder system based on MCU. The ultrasonic is hardly influenced by light， smoke， electromagnetic interference etc.； in addition， the ultrasonic sensor has exhibited such the following favorable performance as simple structure， small volume and easy miniaturization and integration. Based on the above， the ultrasonic is very suitable for noncontact measurement. The system design includes the hardware connection circuit of MCU controller， ultrasonic transmitting circuit and ultrasonic receiving circuit. The propagation velocity of ultrasonic wave in air has a certain dependence on temperature， therefore， in order to better improve the measurement accuracy of the system， the temperature compensation circuit based on DS18B20 temperature sensor is designed， and the WT588D intelligent voice prompt circuit is developed， and the buzzer for prompting or warning is adopted to actual use conveniently， furtherly visual results are given out by the display circuit. In the end， the system is proved to have good features of measurement accuracy and antijamming by the experiment simulation and the hardware ranging experiment.

Keywords： ultrasonic ranging； AT89S51 MCU； ultrasonic sensor； LED display； intelligent voice prompt

0引言

近年來(lái)單片機(jī)控制和傳感器技術(shù)快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)這方面的要求也不斷提高。其中，頗具發(fā)展勢(shì)頭的非接觸式測(cè)量在許多領(lǐng)域均涉及到。當(dāng)前有很多種常用的非接觸測(cè)距的方法，綜合比較起來(lái)，尤數(shù)超聲波測(cè)距要更為便捷，基于超聲波測(cè)距的各種優(yōu)點(diǎn)，通過超聲波進(jìn)行距離測(cè)量的方法被廣泛應(yīng)用于液位測(cè)量等領(lǐng)域[1]。

當(dāng)今市場(chǎng)對(duì)超聲波測(cè)距的精度要求不斷有著更高的要求，中國(guó)一些研究人員在新型超聲換能器中超聲功率的控制和最大探測(cè)距離的改進(jìn)研究方面取得了一定的成績(jī)。不足的是，在新型超聲波傳感器的制造工藝、測(cè)距范圍、超聲原理創(chuàng)新以及線性度的探究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此，在這個(gè)領(lǐng)域，需要學(xué)界繼續(xù)深入研發(fā)的內(nèi)容還有很多。

AT89S51單片機(jī)在提高系統(tǒng)靈活性和降低成本方面提供了很多的解決辦法。如果能充分利用AT89S51芯片，便可以在少量的外加電路的情況下實(shí)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)完整的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的范圍。依據(jù)超聲波測(cè)距的理論，本文研究了以AT89S51單片機(jī)為核心控制部件的高精度而且成本低的超聲波測(cè)距系統(tǒng)[2]，通過分析各模塊設(shè)計(jì)，同時(shí)也為了進(jìn)一步有效提高超聲測(cè)距儀的測(cè)量精度以及獲得高度的分辨力，依據(jù)超聲波的傳播速度與溫度之間的聯(lián)系，采用了溫度傳感器DS18B20設(shè)計(jì)了能夠使該系統(tǒng)功能更加完善的溫度補(bǔ)償電路以此來(lái)提升系統(tǒng)的測(cè)量精度和分辨力。

1超聲波測(cè)距原理和方法

1.1超聲波簡(jiǎn)介endprint

本文中研究的超聲波（Ultrasonic）基本上與聲波相同，但超聲波頻率較高，這是一種頻率范圍在20 KHz以上的聲波，兩者之間有相似的地方，相似點(diǎn)便是兩者均屬于一種機(jī)械振動(dòng)的形式，而其在非塑性介質(zhì)中也均是以縱波的形式進(jìn)行傳播；超聲波在介質(zhì)中的穿透能力及指向性相比聲波更強(qiáng)，此外，與聲波相比，超聲波能夠獲得相對(duì)聚焦的聲能，當(dāng)這2種波在水中傳播時(shí)，超聲波傳播能力強(qiáng)于聲波；因此，將超聲波應(yīng)用在測(cè)距、清洗消毒方面都非常適宜，同時(shí)也具備更高的效率。超聲波頻率有其自身的范圍，就是擁有一個(gè)大于人類聽力上限的下限頻率。超聲波對(duì)環(huán)境沒有太多的要求，對(duì)所處環(huán)境的電磁波、顏色等變化不靈敏，所以其在應(yīng)用上也堪稱廣泛，當(dāng)一些場(chǎng)合需要通過非接觸而對(duì)目標(biāo)距離進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，比如汽車倒車以及其他各種適用的場(chǎng)合，超聲測(cè)距都可以得到充分的應(yīng)用表現(xiàn)。通過科研人員一系列的研究和實(shí)驗(yàn)證明，物體振動(dòng)所產(chǎn)生能量和振動(dòng)頻率高低成正線性相關(guān)，然而當(dāng)超聲波在非塑性介質(zhì)中傳播時(shí)，[JP3]振動(dòng)的振幅必須相同，如果質(zhì)點(diǎn)能夠具備較高的振動(dòng)頻率，這時(shí)候所產(chǎn)生的能量就會(huì)隨著頻率的增大而增大。[JP]

1.2超聲波的傳播速度

超聲波傳播速度（Ultrasonic velocity）未必是恒值不變的，并且與所位于的介質(zhì)固有特性有很大的聯(lián)系，比如傳播介質(zhì)的彈性模量和密度，超聲波與其都有直接的關(guān)系。當(dāng)超聲波在塑性模量和所處介質(zhì)的密度都為一個(gè)固定的數(shù)值進(jìn)行傳播時(shí)，其速度也將會(huì)是恒值不變；在其進(jìn)行傳播時(shí)所處介質(zhì)不一樣的情況下，速度也會(huì)有所變化；其次，如果超聲波的波形不一樣也會(huì)在某種程度上影響其傳輸速度，另外，超聲波傳播時(shí)的非塑性介質(zhì)形式不一樣時(shí)[3]，也會(huì)對(duì)其造成不容忽視的影響；超聲波傳播距離的遠(yuǎn)近不僅會(huì)被空氣本身一定的吸收能力影響，同時(shí)，環(huán)境溫度、介質(zhì)的潮濕度和所處環(huán)境的壓強(qiáng)大小也可以波及到超聲波的傳播遠(yuǎn)近，并且對(duì)超聲波衰減有明顯作用；溫度和其它幾個(gè)影響因素一樣也是決定聲速的一個(gè)重要條件，當(dāng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，若溫度的變化不是特別明顯，那么就可以認(rèn)為傳播速度是不變的。

在實(shí)際測(cè)量聲波的過程中，可以采納相位對(duì)比法（Li Saru圖）和干涉（駐波法）的測(cè)量方法，在這個(gè)過程中，需要注意的是，當(dāng)頻率發(fā)射信號(hào)從其固有頻率和振幅迅速衰減到振幅為零，不利于觀察。基于這一原因，通過改變頻率和固定的距離，同時(shí)獲得聲速的方法并不可以采納。

2超聲波傳感器的工作原理

超聲波傳感器也稱為超聲波換能器，具體包含：壓電晶體與鎳鐵鋁合金。首先，晶體有中心對(duì)稱型和與之相反的非中心對(duì)稱型兩種，這里提到的壓電晶體就屬于非中心對(duì)稱中的一種，該晶體特點(diǎn)就是會(huì)在施加外力的作用下產(chǎn)生一定的形變，在這時(shí)，帶正電粒子將在晶體本身的形變影響下，出現(xiàn)相對(duì)位移，此外，壓電晶體會(huì)受到粒子相對(duì)位移的影響，壓電晶體的表面會(huì)產(chǎn)生一定量的正電荷和極性相反的負(fù)電荷；鎳鐵鋁合金又可以稱作磁致伸縮，磁性材料會(huì)受到材料本身磁化狀態(tài)的作用，在該狀態(tài)下此材料大小形狀將會(huì)在各個(gè)方向上產(chǎn)生與原狀態(tài)不同的形變。除了溫度的變化可以改變磁性材料的形狀外，在外部磁場(chǎng)的作用下，磁性材料的形狀也同樣會(huì)發(fā)生微小的改變，若將磁場(chǎng)撤去，就重新回到原來(lái)的狀態(tài)[4]。

目前，實(shí)際中常應(yīng)用的超聲波傳感器大部分都為壓電式的，大體上來(lái)說，傳感器分可逆和不可逆，由壓電晶體所組成的傳感器就屬于可逆類型傳感器，所謂可逆?zhèn)鞲衅?，就是這種傳感器可以作為發(fā)送器使用，同時(shí)也可以將其當(dāng)做接收器應(yīng)用到實(shí)際中。探討研究后，本系統(tǒng)選用了型號(hào)HC-SR04的超聲波傳感器。壓電材料的2種效應(yīng)包括：正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，超聲波傳感器中壓電傳感器這一類就是通過壓電材料這兩種效應(yīng)來(lái)運(yùn)行的[5]。所謂壓電材料的正壓電效應(yīng)是說，如果某一方向的外界作用力施加到壓電晶體，那么，該壓電晶體內(nèi)部將會(huì)發(fā)生電極化的現(xiàn)象[6]；此外，受到外界施加的力的影響，壓電晶體將會(huì)在材料表面產(chǎn)生完全不同的電荷，當(dāng)外界施加力撤掉，晶體將變?yōu)椴粠в须姾傻碾娭行誀顟B(tài)[7]；電荷的極性與外力作用的方向是有正比關(guān)系的。與之不同的是，當(dāng)壓電式晶體處于一直變化著的電場(chǎng)時(shí)，壓電式晶體會(huì)隨著所在電場(chǎng)的變化而隨之產(chǎn)生一定量的變形，壓電材料產(chǎn)生的這種大小以及各方面狀態(tài)上的變化在研究中即可稱作壓電式材料的逆壓電效應(yīng)。[JP]

由于超聲波在介質(zhì)中以通常呈線性狀態(tài)直接傳送，因此，就有了超聲波在非塑性介質(zhì)中傳播時(shí)差異的存在，主要表現(xiàn)是，超聲波的傳播頻率與反衍射能力存在一定關(guān)系，頻率越高，反射能力強(qiáng)，衍射能力很弱，借助這些指標(biāo)間的微妙關(guān)系，所以就可以利用時(shí)差檢測(cè)方法來(lái)檢測(cè)目標(biāo)對(duì)象的范圍。

超聲波傳感器通常使用為超聲波的發(fā)射部件與所對(duì)應(yīng)的接收部件，這些均為能量轉(zhuǎn)換裝置的一種[8]。超聲波傳感器由以下4個(gè)模塊構(gòu)成：超聲波發(fā)射器與接收器、控制模塊以及供電模塊[9]。

3超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1主控制模塊的設(shè)計(jì)

以最精簡(jiǎn)配置保證正常運(yùn)行的單片機(jī)系統(tǒng)被稱為AT89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)，即由如下主要模塊構(gòu)成：電源模塊、復(fù)位模塊、時(shí)鐘模塊。其中，當(dāng)單片機(jī)引腳9有大于或等于2個(gè)機(jī)器周期時(shí)，單片機(jī)將會(huì)復(fù)位，該過程隨之重新進(jìn)行；振蕩器模塊將會(huì)發(fā)出定值頻率，而當(dāng)該頻率與所選晶振的頻率一樣時(shí)，就可以引入外界晶振，當(dāng)然，也可以由外部單獨(dú)輸入單片機(jī)[9]，此時(shí)XTAL2端口接地，而時(shí)鐘信號(hào)則由XTAL1輸入；VCC引腳以及GND引腳為構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)的電源模塊，過程中正常工作的電壓為4～5.5 V。

3.2超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)

本文傳感器類型采取的為收發(fā)共用型，但因?yàn)榛夭ㄐ盘?hào)質(zhì)量取決于發(fā)射端發(fā)出的信號(hào)質(zhì)量是否達(dá)到系統(tǒng)要求。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅對(duì)所選用的超聲波傳感器性能有高要求，對(duì)傳感器發(fā)射和接收部件所接收到的一級(jí)信號(hào)均有較高的限制。因此，只有保證這2個(gè)方面都占據(jù)顯著優(yōu)勢(shì)，才能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的精度和靈敏度。endprint

由于超聲波在整個(gè)發(fā)射的過程中會(huì)被環(huán)境因素所影響而有所衰減，因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將P1.0口輸出的方波信號(hào)的AT89S51單片機(jī)一方面通過74LS04到達(dá)一個(gè)探測(cè)器的電極后，另一方面，經(jīng)由兩74LS04到達(dá)另一個(gè)電極的超聲探頭后，之所以采用這種方法，是因?yàn)橥ㄟ^采用這種方式可以在超聲波2端添加方波信號(hào)，此外，應(yīng)當(dāng)盡量減少各種不利的環(huán)境因素對(duì)超聲波發(fā)射信號(hào)的影響；由于發(fā)射機(jī)電路的輸出必須具有很高的驅(qū)動(dòng)能力，故而為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，也是為了有效提高發(fā)射電路的驅(qū)動(dòng)能力，本論文在輸出端借助使用2個(gè)反向器并聯(lián)的方法，最終實(shí)驗(yàn)證明，該方法能夠達(dá)到使輸出端驅(qū)動(dòng)能力提高的效果；此外，換能器振蕩時(shí)間的限制也會(huì)對(duì)提高其驅(qū)動(dòng)能力有一定的作用，圖1中電阻的作用就是，通過加大超聲波傳感器的阻尼效果進(jìn)而來(lái)減少傳感器的不穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)，如此即會(huì)提高反向器輸出高電平的能力[10]，最終達(dá)到有效增強(qiáng)輸出和發(fā)射驅(qū)動(dòng)能力的目的。本次設(shè)計(jì)中，超聲波發(fā)射電路如圖1所示。

3.3超聲波接收電路的設(shè)計(jì)

超聲波接收電路可分為3個(gè)部分：超聲波接收探頭、波形轉(zhuǎn)換以及信號(hào)放大電路[11]。當(dāng)超聲波在空氣介質(zhì)中進(jìn)行傳播時(shí)，超聲波的能量會(huì)受到外界各種因素的影響，其能量將會(huì)因?yàn)槌暡ㄔ诮橘|(zhì)中傳播間隔的不斷加大而有所削減[12]，如果使用超聲波測(cè)距，被測(cè)目標(biāo)距離很遠(yuǎn)，超聲波探頭接收的回波信號(hào)就會(huì)非常微弱，所以，設(shè)計(jì)接收電路時(shí)充分考慮信號(hào)放大電路就顯得尤為重要；除此之外，各種雜波和干擾等環(huán)境因素對(duì)超聲波檢測(cè)到的回波信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，因此為了盡量減小這種不必要的影響，選用濾波特性較好的電路能夠做到更方便地檢測(cè)回波信號(hào)。在這個(gè)系統(tǒng)中，采用了CX20106A芯片的目的是為了檢測(cè)紅外線，當(dāng)其被用為超聲接收信號(hào)處理電路，也就是說芯片可以接收到超聲波探頭形成的40 MHz方波信號(hào)時(shí)，該芯片將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)中斷信號(hào)作為一個(gè)單脈沖和MCU外部脈沖信號(hào)中斷引腳連接，可以當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)中斷信號(hào)輸入。[JP3]該芯片集成電路不僅能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的信號(hào)放大與幅值限制，同時(shí)，也有額外作用，例如，峰值測(cè)量、帶通濾波與整形。由CX20106A芯片作為核心的超聲波接收電路模塊則如圖2所示。

4結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)說明了一種基于AT89S51MCU的超聲波測(cè)距設(shè)計(jì)，做出了基本的超聲測(cè)距硬件設(shè)計(jì)，并且邏輯分析了軟件部分。超聲波測(cè)距原理的應(yīng)用定制可如圖3所示。

超聲波傳感器作為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件，文中對(duì)超聲波傳感器工作過程、內(nèi)部構(gòu)成以及其優(yōu)缺點(diǎn)作了詳細(xì)的敘述。AT89S51單片機(jī)是本系統(tǒng)中的主控制器模塊，會(huì)產(chǎn)生使超聲波傳感器工作所需要的40 KHz的信號(hào)。該設(shè)計(jì)中的發(fā)射部分由74ALS04反相器驅(qū)動(dòng)發(fā)射超聲波，這一模塊對(duì)MCU發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯筇幚韥?lái)使換能器工作。本文設(shè)計(jì)中的接收模塊采用的是CX20106A芯片，這個(gè)模塊里的前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，即AGC功能?？紤]到溫度容易對(duì)超聲波的傳播造成的不可忽略的影響，本系統(tǒng)又借助了DS18B20完成溫度補(bǔ)償，能夠有效減小外界環(huán)境溫度影響的誤差。本設(shè)計(jì)中的顯示部分使用的是LED動(dòng)態(tài)掃描方式。最后，采用WT588D語(yǔ)音模塊，達(dá)到在實(shí)際操作中方便快捷的使用目的。

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