超声波测距装置设计及抗干扰分析

摘    要： 文章在阐述了超声波特性及超声波测距原理之后，设计了以单片机为核心的超声波测距装置的总体方案，详细介绍了超声波发送、接收处理电路，旨在通过分析超声波的温度补偿、回波补偿、串扰、余震等对测距装置的影响，归纳总结抗干扰的方法，提出抑制干扰的硬件解决方案。

关键词： 超声波    距离测量    干扰抑制    单片机

1.引言

超声波属于机械振动波，其频率大于20kHz，它波长短，能量密度集中，方向性好，在介质中只有很小的衰减，穿透能力强，钢板、墙体内均可传播，速度快。但是超声波在空气中传播速度与音速不相上下，常温下为340m/s。因此，可通过测量超声波传播的时间，测量距离、厚度等[1]。

超声波测距是一种非接触式的距离测量方法，其测量精度除了受温度影响较大之外，还存在超声波回波串扰、余震等现象。这些干扰因素不仅会造成较大的测量误差，而且会影响到测量的正常进行。因此，必须采取一些抗干扰措施，降低测量误差。

2.超声测距原理

常用的测距方法分为脉冲回波法和相位差法。相位差法的测量存在多个不确定性，而解决方式较复杂，本文不作论述。而脉冲回波法[2]的工作原理是：用超声波发射器向外发射超声波，同时接收从被测物体反射回来的回波，检测从发射超声波至接收回波所花的时间ToF（Time of Flight），按式（1）计算超声波发射器与被测物体之间的距离d，即：

d=■c×ToF    （1）

其中，c为空气介质中声波的传播速度。

3.超声测距装置的总体设计

能够产生超声波和接收到超声波是超声波测距的前提，而能够完成此功能的器件是超声波传感器，也叫做超声波发射器或探头。超声波传感器有收发一体化的，也有发送器和接收器分开的。超声波传感器是利用压电效应或磁致伸缩效应原理工作的，它在发射超声波的时候，将电能转换成超声波（机械波）发射出去，而在收到回波时将超声波转换成电信号进行处理。

超声波测距装置总体设计框图如图1，由发射电路、接收电路、滤波放大电路、单片机最小系统、显示电路等组成。发射探头发射频率为40kHz超声波脉冲，同时启动单片机计时（使用定时器）。超声波在空气中传播，当经到达被测物时，其反射波被接收探头接收，经检测电路得到有效回波。这时，单片机引脚INT0检测到电路的外部中断而停止计时，此时计时器所计时间即是超声波传播的时间ToF。

图1    总体设计框图

4.超声波产生和发射

超声波发射电路如图2所示，它是由555时基电路构成的多谐振荡器电路形式，可产生频率可调的脉冲信号。此设计的优势是避免由单片机来发生脉冲信号，可节省单片机的系统资源。发射电路受单片机引脚的控制，当该引脚输出为高电平时，振荡器开始产生频率为40kHz的方波脉冲。超声波探头在周期性方波信号的激励下，持续不断地发射超声波[3]。

图2    超声波发射电路

本装置采用间断多脉冲发射，每次发射若干个脉冲，系统检测到第一个被反射回来的脉冲波，即可计算被测距离。

5.超声波接收和处理

5.1回波的接收和放大

超声波探头接收的回波电压幅值小且带有杂波信号，因此必须进行滤波、放大后供单片机检测。超声波发射时是固定频率40kHz的，在选频电路中只允许40kHz信号通过并放大，送至单片机进行传播时间计算和相关数据的显示。

图3    超声波接收和处理的一般电路

5.2时间增益补偿电路

如图4所示，超声波的信号衰减程度由传播距离的远近及声程决定，其原因如下式：

I=I■e■    （2）

其中α为空气衰减系数，I■为最初声强，I为衰减后的声强。

衰减严重的信号将有可能接收不到而导致测量误差。鉴于此，我们采用比较器电路，将图4中钟形形状的回波脉冲与固定的基准电压进行比较，将回波进行整形补偿，结果亦在图4中。

由此进行的幅度补偿称为时间增益补偿（Time Gain Compensation， TDC）[4]，如图4所示为补偿前后的波形对比。

图4    时间增益补偿

5.3回波串扰问题的解决

超声波测距装置中，发射探头和接收探头挨得非常近，有部分超声波直接就从发射探头进入接收探头，并不是从被测物体上反射的真实信号，这种情况称为串扰，会给测量带来很大的误差[5]。

一般来说，串扰信号的幅值比真实的回波信号幅值要大一些，原因是这部分信号几乎没有衰减。因此，可以设计一个阈值电路[6]，如图5所示，进行单限电压比较，这样就可以达到去除串扰信号除的目的。

图5    去串扰超声波接收电路框图

5.4余震问题的解决

在测距的过程中，超声波的发射是每发出若干个脉冲之后停发一次，接着继续发射，如此循环往复。但是任何振动的物体在振动力撤除之后并不是立即就停止振动，古代有“余音缭绕，绕梁三日“即是形容此种现象。超声波测量时脉冲是间歇式发送的，超声波探头也会在某个瞬间停止发射。这时超声波探头由于机械惯性的作用，仍然会振动而发出超声波，此种情况被称为余震。如同串扰问题一样，有一部分超声波信号直接从发射探头来到接收探头从而影响测量精度。因此，如图6所示，在装置中通过增加单稳态触发器电路进行延时以“躲过”余震信号，使其不被有效接收，从而消除余震的干扰。

图6    去余震干扰超声波接收电路框图

5.5温度补偿

空气的温度并非是恒定的。超声波在空气中传播时，传播速度会受到影响，进而影响到超声波测距装置。超声波在空气中是以纵波形式传播的，由于气体分子的密度受温度及成分的影响[7]。

声速随温度变化的公式为：

V=331.4+0.607T（m/s）

其中，T为摄氏温度。

图7    测温电路框图

温度测量电路的一般原理如图7所示。测量温度在硬件上有两种方案，一种是采用温度传感器辅以滤波、放大、A/D等电路，被转换成的数字量送到单片机内进行计算得到当前温度下的超声波传播速度。另一种是直接购置温度集成芯片，测量后直接发送数字信号给单片机。

前者设计电路较多，增加了成本和干扰进入电路的机会;后者抗干扰性强，虽然芯片稍贵一点，但性价比高，比如DS18B20。

DS18B20能将温度信号直接转换成串行数字信号供单片机处理。除了具有结构简单、体积小、功耗小、抗干扰能力强、使用简等优点外，还有以下特性：

三引脚设计：电源、地及信号端三根线，只要一条线就可以与单片机进行双向双向通讯;

将传感器与处理电路集成于一体;

测温范围宽，从零下55摄氏度到155摄氏度均能胜任，分辨率达到0.5℃;

完成一次温度转换时间极短，不到ls;

测量数据串行发送。

6.结语

在超声波测距装置的设计中，充分考虑各种可能出现的干扰因素，精确测量传播时间，是提高超声波测距精度的关键。本文充分考虑在超声波接收中的串扰、余震等现象，采用增加时间增益补偿电路、单限电压比较器和单稳态触发器提高抗干扰能力，提高超声波测距的精度，可广泛应用于实验教学、液位测量、障碍物识别及自动导航等领域。

参考文献：

[1]洪志刚，杜维玲，熊小青.传感器原理及应用[M].长沙：中南大学出版社，2007.

[2]孔雅琼.基于单片机的超声测距仪研究与开发[D].长沙：国防科学技术大学，2007.

[3]安宗权，冷护基.基于ATmega8单片机的超声测距仪[J].计算机测量与控制，2005.13：11.

[4]张珂，刘钢海.提高超声波测距精度方法的研究[J].现代电子技术，2007（15）.

[5]兰少莹.无串扰超声测距系统编码激励与回波处理[D].天津：天津大学，2008.

[6]罗小燕，谭厚初.超声测距系统中抗干扰措施的研究[J].江西理工大学学报，2007.27：6.

[7]操文祥.基于单片机的超声测距系统[D].芜湖：安徽大学，2007.

基金项目（课题）：

2008年度中山职业技术学院教研教改项目“超声波测距实验教学装置的研制”，项目批准号：JYB0802，主持人：李中帅。