超声波测距仪的研究

　　0 引言

　　超声波具有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点,所以常用于测量物体的距离、厚度、液位等。超声波测距技术在工业控制、能源勘探、气象测量、水利监测等领域得到了广泛应用。

　　1 超声波测距的基本原理

　　由超声探头发出的超声脉冲信号,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,其所经历的时间与超声波传播的路程远近有关,根据其传播速度和传播时间计算出其传播距离。系统利用AT89C51单片机的定时功能实现对超声波信号进行准确的计时,从而实现了高精度的距离测量。如果物体之间的距离用L(m)表示,测得往返的传播时间为$T(s),在空气中传播速度为C(m/s)表示,则有以下关系式:

　　但传播速度会随环境温度变化而变化。若以t表示环境温度,则传播速度:

　　在应用中,如果温度变化不大,且无特殊精度要求,可认为声速是基本不变的。否则,必须进行温度补偿。测量时按上式对超声波传播速度加以修正,以减小误差。

　　2 系统构成及实现

　　系统由超声波传感器、发射电路、回波接收电路、微处理器、RS485串口通信等电路组成。微处理器采用了ATMEL公司的AT89C51。系统硬件框图如图1所示。

　　2.1 超声波频率及探头的选用

　　超声波在空气中传播功率及精度与频率成正比。权衡几个常用超声波频率的特点,最终选取频率为40 kHz。为了便于超声波的发送和接收,方案采用共振频率为40 kHz的超声波探头,其发射探头选用TCT40-10F1,对应的接收探头选用TCT40-10S1。

　　2.2 超声波发射器的设计

　　超声波发送电路如图2所示。利用软件产生的超声波信号CNT,通过输出引脚输入至驱动器,经驱动器驱动后推动探头产生超声波。40 kHz的超声波信号是利用555时基电路振荡产生的。其振荡频率计算公式为:

　　将R10设计为可调电阻,用于调节信号频率,使之与换能器的40 kHz固有频率一致。为保证555时基具有足够的驱动能力,宜采用+12V电源。

　　2.3 超声波接收器的设计

　　超声波接收器包括超声波接收探头、信号放大器及波形变换电路三部分。超声波在空气中传播时,其能量的衰减程度与距离成正比,通常在1mV~1V之间。因此对放大器提出两个要求:¥放大器增益要大;¦放大器增益可调。选择比较基准电压,可使测量更加准确和稳定。实践证明,比较参考电压的选取非常关键,它与测量灵敏度、系统鲁棒性都有关系。如图3的设计,当没有回波信号或回波信号很弱时,比较器输出为高电平,反之,为低电平。