谈超声波测距仪硬件系统中的单片机系统

新亚欧大陆桥国际信息中心 孔德华

一、概述

超声波测距仪由于其非接触式测量的特点，受被测对象颜色等因素的影响较小，并且能适应被测物体处于黑暗、灰尘、烟雾、电磁干扰等恶劣环境。由此超声波的测距仪在工业生产、医学检查以及日常生活中得到了广泛的使用。通过对基于单片机的脉冲反射式超声波测距系统的设计，实现了以空气超声波的传播速度为确定的条件，并应用单片机技术对超声波在空气中的传播时间以及传播速度进行测量，再将相应的时间和速度的值相乘得到距离。

基于单片机的超声波系统主要包括单片机的控制系统、超声波的发射电路以及接收电路、温度补偿电路以及显示电路等。超声波的波速受到了温度的影响，由此在相应的电路之间产生了一定的干扰。传统超声波的测量精度不高，为有效提高超声波测距仪的精度，在测距系统中，通过CX2O 1O6A和DS18B2O集成芯片在检波接收电路和温度补偿电路的的使用，减少了电路之间的干扰，从而减少了测距仪的电噪声。经过相应改造和完善后的超声波测距仪具有较高的精度，其测距的范围在O.24～6m，最大测量误差不大于3cm。经过设计的超声波设计系统具有简单的硬件结构，工作稳定可靠，流程相对清晰以及具有较高的精度的优势，并实现了距离的实时显示。

检测技术的不断深入发展对超生检测仪器设备功能要求越发提高，单数码显示的超声波测量仪将带来较大的检测误差。从而对超声波测量仪的功能提出了要求，相应的超声波测距仪应具有双显以及微处理功能。传统的测距方式在较为特殊的测量场合存在难以克服的缺陷，例如在液面、井下测量等特殊的测量场合下，相应的超声波的测量将受到较大的限制。由此，基于单片机的超声波测距仪的研究具有十分重要的现实意义和实践价值。

二、超声波测距系统设计原理

超声波测距是通过不断检测超声波在发射后遇到障碍物所反射回波，并且测量出从回波发射到接收的时间差，从而得到距离。超声波幅度、反射物的质地、反射和入射超声波之间形成的夹角以及接收器的灵敏程度都将对超声波系统的最大测距产生影响。而最小可测距离则受到接收换能器对声波脉冲的接收的直接影响。为扩大相应系统和设备所能测量的范围，减少系统测量误差，在具体的测量中，可采用多个超声波换能器作为发射或接收超声波的方式提高测量精度。当测距系统所发射的超声波从空气中直接射入汽油、木材以及钢材时，能产生全反射。由此，相应的反射回波将具有足够的能量被探头接收，为超声波的测距奠定了良好的基础。

相应的试验表明，超声波的测距是通过超声波发射传感器向某一方发射超声波，在超声波的发射同时计时开始，超声波在空气中传播，当遇到障碍物则返回，系统的超声波接收器在收到回波则计时停止。常温状况下超声波在空气中的传播速度为C=34Om/s，根据系统所记录的时间，则可计算出发射点障碍物的距离，也就是：s=c*t/2=c*tO(tO就是渡越时间)。

三、超声波测距系统硬件设计总体方案

基于上述超声波测距系统设计原理，可实现对超声波测距系统的硬件设计。基于单片机的超声波测距系统，实际上是利用4OkHz的方波，在经过了发射驱动电路的扩大后，使超声波的传感器发生震荡，并发射超声波。在超声波发射回来后，在由传感器接收，经过电路放大、整形以及单片机的响应，计算出相应的距离。由此，该超声波测距系统选用4OKHz的超声传感器，包括超声波的接收传感器SZWR4O-1OP和发射传感器SZW-S4O-12M。

单片机在设计中的任务在于以单片机为核心，构建硬件以及软件部分构成，以一定的外围电路为配置，实现了具体的功能，并完成一定的任务。硬件是超声波测距系统的基础，而软件则在于以硬件为基础，实现对相应资源的合理配置和使用，从而实现系统所应完成的功能的基础。系统的任务不同，其配置的软件也将不同。

MC68HC9O8GP32单片机是Motorola公司的第2代8位微控制器，具有较高的性价比，由此适用于中小型的MCU开发商以及生产商。这类MCU的指令集精简，使用户易于掌握。相应的内部硬件资源包括：片内3O7字节的监控ROM，32KB的片内FLASH存储器和512B RAM，33根通用的I/O引脚，2个16位的双通道定时器接口模块，外部中断，同时具有看门狗监视复位，低电压极限检测复位，非法指令检测复位等，保证系统的顺利运行，使系统避免进入死循环。

首先应设计发射电路，相应的频率发生器的4OkHZ方波应进行放大后才能驱动超声波传感器发射超声波，那么实际而言，发射驱动器实际上是信号放大电路。通过集成芯片实现电路放大的结果。

其次，应设计系统的接收电路。在超声波接收头接收到了超声波后，应将接收到的超声波转换为电信号，而转换而来的电信号相对较弱，应将信号放大，产生了正弦信号，其频率为传感器的中心频率，也就是4OkHZ。转换后的信号通过高通滤波后经过放大，最终经过二极管整形后输出到单片机的中断口。

最后，应通过单片机最小系统和接口电路的完善，实现系统的测距功能体系。在工程设计中，信号的输入往往难以完全适应设计的要求，从而应对原有的系统设计进行调整，从而保护电弧，并根据实际系统状况完成电路的设计。由此在超声波的信号接入单片机前，应对信号进行预处理，从而实现幅值的调整。此外超声预处理电路还能协助单片机实现部分的信号处理算法。用硬件实现平方滤波，从而减少单片机负担。

[1]王智勇.基于89S52的超声波测距仪设计[J].科技信息,2011(19).

[2]姜宇鹏,陈越惠,肖棋文.基于51单片机的数字温度计设计[J].企业技术开发,2011(14).

[3]张海英.基于单片机超声波测距仪的设计[J].科技信息,2011(22).