引言

　　在工程實(shí)踐中，超聲波由于指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而經(jīng)常用于距離的測(cè)量。它主要應(yīng)用于倒車(chē)?yán)走_(dá)、測(cè)距儀、物位測(cè)量?jī)x、移動(dòng)機(jī)器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等，例如：距離、液位、井深、管道長(zhǎng)度、流速等場(chǎng)合。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便，且計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，在測(cè)量精度方面也能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

　　超聲波測(cè)距的基本原理

　　超聲波發(fā)生器在某一時(shí)刻發(fā)出超聲波信號(hào)，遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，被超聲波接收器接收到。只要計(jì)算出超聲波信號(hào)從發(fā)射到接收到回波信號(hào)的時(shí)間，知道在介質(zhì)中的傳播速度，就可以計(jì)算出距被測(cè)物體的距離：

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　　其中ｄ為被測(cè)物到測(cè)距儀之間的距離，ｓ為超聲波往返通過(guò)的路程，ｖ為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，ｔ為超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間。為了提高精度，需要考慮不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關(guān)系：

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　　式中，ｔ為實(shí)際溫度（℃），ｖ的單位為ｍ／ｓ。

　　壓電式超聲波傳感器的原理

　　目前，超聲波傳感器大致可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生的超聲波，一類(lèi)是用機(jī)械方式產(chǎn)生的超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。在工程中，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。

　　壓電式超聲波傳感器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。壓電式超聲波發(fā)生器的內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)即為超聲波接收器。

　　反射式超聲波測(cè)距儀的硬件電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度補(bǔ)償電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路構(gòu)成，如圖１所示。

　　本超聲波測(cè)距儀的具體工作過(guò)程如下，在單片機(jī)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)后，由ｍｃ９ｓ１２ｄｇ１２８ｂ產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，控制外圍電路產(chǎn)生４０ｋｈｚ的超聲波，經(jīng)整形放大后加到超聲波換能器發(fā)射出頻率為４０ｋｈｚ的超聲波。同時(shí)，計(jì)數(shù)ｍｃ９ｓ１２ｄｇ１２８ｂ內(nèi)部的定時(shí)器，測(cè)量超聲波信號(hào)從發(fā)出到接收所花的時(shí)間，并把經(jīng)超聲波換能器ｒ接收到的超聲波信號(hào)放大、濾波、整形，并作為接收信號(hào)來(lái)啟動(dòng)定時(shí)器的輸入捕捉功能，完成一次超聲波測(cè)距的時(shí)間操作。同時(shí)，由溫度傳感器ｄｓ１８ｂ２０測(cè)得當(dāng)前的環(huán)境溫度，讀入單片機(jī)，然后經(jīng)其處理，在液晶顯示屏上顯示相應(yīng)的測(cè)量值以及當(dāng)前溫度。

　　微控制器ｍｃ９ｓ１２ｄｇ１２８ｂ

　　ｍｃ９ｓ１２ｄｇ１２８ｂ是飛思卡爾公司推出的ｓ１２控制器中的一款１６位微控制器。其集成度高，片內(nèi)資源豐富，接口模塊包括ｓｐｉ、ｓｃｉ、ｉ２ｃ、ａ／ｄ、ｐｗｍ等，在ｆｌａｓｈ存儲(chǔ)控制及加密方面有較強(qiáng)的功能。

　�。恚悖梗螅保玻洌纾保玻福馕⒖刂破鞑捎迷鰪�(qiáng)型１６位ｓ１２�。悖穑�，片內(nèi)總線時(shí)鐘頻率最高可達(dá)２５ｍｈｚ；片內(nèi)資源包括８ｋｂ�。颍幔�、１２８ｋｂ　ｆｌａｓｈ、２ｋｂ　ｅｅｐｒｏｍ、ｓｃｉ、ｓｐｉ及ｐｗｍ串行接口模塊；ｐｗｍ模塊可設(shè)置成４路８位或２路１６位，可寬范圍選擇時(shí)鐘頻率；它還提供２個(gè)８路１０位精度ａ／ｄ轉(zhuǎn)換器、控制器局域網(wǎng)ｃａｎ和增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器，并支持背景調(diào)試模式（ｂｄｍ）。

　　超聲波的發(fā)射電路

　　超聲波發(fā)射電路一般由超聲波反射器ｔ、４０ｋｈｚ的超音頻振蕩器、驅(qū)動(dòng)（或激勵(lì)）電路等組成，本設(shè)計(jì)利用門(mén)電路產(chǎn)生４０ｋｈｚ的超聲波，組成的超聲波發(fā)射電路見(jiàn)圖２。

　　圖中，與非門(mén)７４ｌｓ００和ｌｍ３８６組成超聲波發(fā)射電路，用７４ｌｓ００構(gòu)成多諧振蕩器，通過(guò)調(diào)節(jié)２０ｋ的電位器，可產(chǎn)生超聲波發(fā)射的４０ｋｈｚ信號(hào)，其中ｕ３ａ為驅(qū)動(dòng)器，電路振蕩頻率ｆ≈１／２．２ｒｃ，單片機(jī)的控制信號(hào)由ｕ２ａ輸入。為增大超聲波的發(fā)射頻率，本設(shè)計(jì)利用了單運(yùn)放ｌｍ３８６，發(fā)射距離可達(dá)４ｍ。

　　超聲波的接收電路

　　超聲波接收電路如圖３所示。接收頭采用與發(fā)射頭配對(duì)的超聲波接收器ｒ，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)。為了進(jìn)行信號(hào)的整形，在設(shè)計(jì)中的ｃｍｏｓ電平的６非門(mén)芯片ｃｄ４０６９，可以減少電路的復(fù)雜程度，提高電路的帶負(fù)載能力。整形后的信號(hào)由ｃ１耦合給帶有鎖定環(huán)的音頻