一种超声波测距仪的设计与实现

1 引 言

    日常的测距工具在一些特殊的场合是很不方便的，甚至无法进行距离的测量，比如液位，井的深度，管道的长度等等。近年来，随着工业自动化生产和装配过程中自动识别的需要，特别是工业机器人的自动测距的需要，出现了多种测距方法和原理。根据其信息载体的不同可归纳为光学方法和超声波方法。光学方法在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声波方法在这些方面具有明显突出的优点：（1） 超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，因此可以直接测量较近目标的距离，纵向分辨率较高；（2）超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射性差的物体如玻璃、抛光体；（3）对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；（4）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。因此，超声波法作为非接触检测的手段，已越来越引起人们的重视，在原苏联、日本、美国等发达国家已有较深的研究。随着单片机技术的发展，其使用技术成熟，应用广泛，便于集成功能电路设计。基于如此，可以采用单片机技术，利用超声波的反射作用，测量距离时与被测量的物体无直接接触，便能够稳定的显示测量结果。该系统及其扩展系统可以应用于汽车的倒车、高速公路上的安全距离报警、建筑工地和一些工业现场的位置监控。

2 超声波测距原理

    本系统主要由超声波收发装置、单片机控制、测温装置、报警装置、LE D显小等五部分组成。系统采用 AT89S52 作为主控制器，检测距离的原理是通过单片机发出 40kHz 的方波串启动超声波发射管，延时一段时间后再启动超声波接受管，检测接收端是否接收遇障碍物反射的回波，同时利用单片机计算出收到回波所用的时间最后算出距离，必要时发出语音报警。其原理框图如图 1 所示。

3 系统硬件电路的设计

    超声波发射电路：主要由反向器 74LS04 和超声波发射换能器 T 构成，单片机控制端口输出的40 kHz 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，另一路经两极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。采用上拉电阻，一方面可以提高反向器74LS04 输出高电平的驱动能力。

    超声波接收检测电路：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载波频率38 kHz 与测距的超声波频率 40 kHz 较为接近，并且具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力，适当更改路电容的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力，可以利用它作超声波检测接收电路。