摘要：介紹了一種以單片機AT89S52為核心，同時用74LS04驅動超聲波發(fā)射探頭，用CX20106A對接收信號進行放大、濾波、檢波并輸出負脈沖的低成本、高精度超聲波測距系統(tǒng)的硬件和軟件設計方法。實驗證明，這套超聲波測距系統(tǒng)軟硬件設計合理、抗干擾能力強、實時性好。
關鍵詞：超聲波；測距；單片機；高精度

0 引言
    隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲波在測距儀中的應用越來越廣。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的測距技術還十分有限，因此，超聲波測距還是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術及產業(yè)領域。為了能順利地完成汽車的停放，應用測距電路能更準確、即時地得到汽車與障礙物的距離。
    智能機器人進入人們的家庭不再是科幻片里面的情節(jié)，現(xiàn)在已經有很多機器人開始普及，如智能清潔機器人、智能防盜機器人等。而這些機器人是需要感覺周圍的環(huán)境來做出判斷的，測距系統(tǒng)就能發(fā)揮很大的作用。因此，設計高穩(wěn)定性、高精度的超聲波測距儀就顯得特別重要。

1 超聲波測距原理
    和蝙蝠探測障礙物的方法一樣，用超聲波測距時，先由超聲波測距儀向前方發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中直線傳播。當前方有障礙物時，超聲波發(fā)生反射并被接收端接收。這樣，通過比較反射回來的超聲波與發(fā)射超聲波的時間差，就可以計算出測距儀到阻礙物之間的距離。
    反射超聲波與發(fā)射超聲波的時間差比較容易獲取，且計算只與超聲波在空氣中的傳播速度有關，因此，這種方法將得到普遍應用。若超聲波以速度v在空氣中傳播，遇到物體后反射，由接收器接收的時間差為t，那么，由s=vt／2，就可以計算出所測距離。但是，超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關，如果測距精度要求很高，就需要通過溫度補償的方法加以校正。

2 系統(tǒng)的總體設計
    超聲波測距系統(tǒng)的整個系統(tǒng)由單片機來控制。啟動測量時，由單片機發(fā)出一個控制信號去觸發(fā)發(fā)射電路，使發(fā)射電路起振，同時驅動超聲波發(fā)射器發(fā)射出一串超聲波脈沖(六個脈沖)，并同時啟動單片機的定時計數器開始計數，也就是開始測量渡越時間。當這些脈沖到達被測目標時，將發(fā)生反射，并經空氣傳播被超聲波接收器接收，再由放大電路進行選頻放大。接收到的第一個脈沖去觸發(fā)單片機的外部中斷，使定時計數器停止計數，這樣，根據計數器的值就可以算出時間。
2．1 系統(tǒng)硬件設計
2．1．1 超聲波發(fā)射電路
    超聲波傳感器利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化。其發(fā)射電路原理圖如圖1所示。該發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器構成。單片機的P2．1端口輸出的方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，可以提高驅動能力。上位電阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力；另一方面，還可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。

2．1．2 超聲波接收電路
    集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的38 kHz載波頻率與測距的40 kHz超聲波頻率較為接近，設計時可以利用它制作超聲波檢測接收電路，圖2所示就是本文的超聲波接收電路。實驗證明，利用CX20106A接收超聲波，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。另外，適當更改電容C4的大小，還可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。

2．2 超聲波測距的軟件設計
    超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個57 603 Hz的超聲波信號后，將立即啟動定時計數器和外部中斷。當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收。此時，CX20106A會產生一個負脈沖觸動外部中斷，同時讀出并保存計時器寄存器的值，關閉外部中斷，同時測量溫度，計算超聲波速度、測量距離。如果測量距離大于23 cm或是沒有接收到回波，就再發(fā)送40 kHz的超聲波驅動脈沖，重新測量。
    然后再根據前面所述原理計算距離，計算公式為：
    S=T(s×100)／2-0．75           (1)
    式中，S為所測距離，單位為cm；T為發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間差，單位為s；s為超聲波速度，單位為m／s，由于發(fā)射超聲波與接收超聲波期間，超聲波傳播的距離為測量距離的兩倍，所以要除以2；后面的0．75為實驗得出的補償值。其補償公式如下：
    s=331．4+0．61temp          (2)
    式中，temp為環(huán)境溫度；s為超聲波傳播速度，單位為m／s。

3 系統(tǒng)測試
    筆者通過實驗對該超聲波測距系統(tǒng)進行了實驗，表1所列是實驗所得出的實際測量數據。

4 結語
    本文對低成本、高精度超聲波測距儀進行了全面的介紹，給出了超聲波測距的軟硬件設計方法。采用AT89S52單片機作為核心處理單元來降低整體儀器的體積和成本。本設計使用74LS04并以推挽形式驅動超聲波發(fā)射探頭，同時選用CX20106A對接收信號進行放大、濾波、檢波并輸出負脈沖，完成超聲波測距儀自動控制，由超聲波驅動頻率檢測距離。最后在單片機的控制下，將測量距離和環(huán)境溫度通過液晶屏顯示出來。