嵌入式超声波测距仪的设计方案

引言

　　随着电子技术的发展，测距技术越来越先进，从采用卷尺人工进行丈量，到用水准仪和三角理论进行测量计算，甚至采用激光测距等，这些测量手段因精度低、操作繁琐或成本高而不尽人意。随着超声波的应用日益广泛，超声测距在测试领域中得到应用，该类产品如进口的超声波液位计、超声波测位仪等性能虽好，但价格昂贵。目前，超声波传感器技术已广泛用于工业、国防、交通、生物医疗和家庭领域。超声波传感器技术与信息技术、集成工艺相结合，为开发智能化、高灵敏度的超声波仪器设备创造了有利条件。鉴于此，运用嵌入式单片机技术、结合CAN总线通信协议标准、设计一种嵌入式超声波测距仪具有很大的发展前景。它可以做到成本低、外围电路简单、功能齐全、能够满足一定的测量要求。

　　1　超声波传感器

　　1.1　典型结构

　　超声波传感器是利用超声波的特性而研制的传感器，超声波传感器的典型结构如图1所示。它是把成正方形的两个压电晶片（亦称双晶振子）按照相反的极性粘贴在一起，再引出两个电极。压电晶片上面有金属震动板和圆锥形振子。圆锥形振子具有很强的方向性，便于发送和接收超声波。超声波传感器采用金属或塑料外壳，其顶部有屏蔽栅。

　　1.2　测距原理

　　超声波具有频率较高，沿直线传播、方向性好、绕射小、穿透力强、传播速度慢（约340m/s,与声速相同）等特点。

　　超声波对固体和液体的穿透能力强，尤其对于在阳光下不透明的固体，可以穿透几十m的深度。超声波遇到杂质或分界面时会产生反射波，利用这一特性可构成超声波探伤仪或测距仪。超声波遇到移动物体时会产生多普勒效应（DopplerEffect），使接收到的频率发生变化，由此可制成多普勒测距系统。

　　超声波测距原理是超声波发射探头发出的超声波脉冲，经媒质（空气）传到物体表面，反射后通过媒质（空气）传到接收探头，测出超声脉冲从发射到接收所需的时间，根据媒质中的声速，求得从探头到物体表面之间的距离。设探头到物体表面的距离为L,超声在空气中的传播速为v,从发射到接收所需的传播时间为t,则有：L=vt/2。由此可见，被测距离L与传播时间之间具有确定的函数关系，只要能测出时间t,即可求出距离L,通过软件实现直接在显示器上显示L的值。

　　2　硬件电路设计

　　2.1　整体方案设计

　　根据所给的设计要求，即具有数字显示、键盘输入、超声波发射与接收、能通过CAN总线与上位机进行通信、异常情况自动报警等功能。可以构架出此嵌入式超声波测距仪的整体方案设计框图如图2所示。从图2中可以看出整体硬件电路设计主要包括：微处理器AT89C51部分、电源电路部分、超声波发射与接收电路部分、键盘输入部分、CAN总线通信部分、LED显示部分。现将重点介绍超声波发射、接收电路和CAN总线通信电路的具体设计。