基于单片机的超声波测距仪设计

摘要：介绍了一种基于单片机的超声波测距仪的设计。详细给出了超声波测距仪的工作原理、超声波发射电路和接收电路、测温电路、显示电路等硬件设计，以及相应的软件设计。设计中采用升压电路，提高了超声换能器的输出能力；采用红外接收芯片，减少了电路间相互干扰，提高了灵敏度；同时，考虑了环境温度对超声波测距的影响，采用温度传感器，提高了测量精度。该设计试验运行良好，系统结构简单、操作方便、价格低廉，具有广阔的推广前景。
关键词：超声波测距仪；超声波换能器；单片机；温度传感器

0 引言
目前，常用的测距方法主要有毫米波测距、激光测距和超声波测距三种。超声波测距较前两种测距方法而言，具有指向性强、能耗缓慢、受环境因素影响较小等特点，广泛应用于如井深、液位、管道长度、倒车等短距离测量。
本设计选用频率为40 kHz左右的超声波，它在空气中传播的效率最佳。在超声测距方法上，本文选用渡越时间法，据文献所提供的数据，渡越时间法简单，成本低，可应用的距离范围较大，可测量的范围为0．39～10．3 m。由于超声波测距主要受温度影响较大，所以本设计增加了温度补偿电路。本设计具有电路简单、操作简便、工作稳定可靠、测距精确和能耗小、成本低等特点，可实现无接触式测量，应用广泛。

1 超声波测距仪工作原理
1．1 超声波测距原理
根据超声波发射后返回的回波幅值、相位和超声波发出到返回的时间差不同，有声波幅值检测法、相位检测法和渡越时间法。本文采用渡越时间检测法，其基本思想如图1所示，发射器发射超声波，经过障碍物反射后被接收器接收，测量发射器和接收器发射和接收超声波的时间差，利用式(1)即可测得障碍物与测试点之间的距离L：

式中：c为超声波在空气中的传播速度；t为超声波在空气中传播的时间。

同时，超声波在空气中的传播速度c受环境温度τ的影响较大，考虑了环境温度对传播速度的影响后，距离公式修正为：

1．2 超声波换能器
超声换能器是基于正(负)压电效应制成的声电传感器，在超声频率范围内将交变的电信号转换成为声信号(正压电效应)，或者是将声信号转换成为电信号(负压电效应)。
本文选用防水型收发一体式双晶片压电振动式超声换能器TCF40-25TR，其主要性能指标如下：
(1)中心频率：(40±1)kHz；
(2)发射声压：在10 V(0 dB=0．02 mPa)时大于等于100dB；
(3)接收灵敏度：在40 kHz(0 dB=V／Pa)时大于等于-55 dB；
(4)静电容量：在1 kHz，小于1 V(PF)时为2 000±20％；
(5)余振时间小于等于1．2 ms；
(6)波束角度特性如图2所示。

1．3 超声波测距的波速特性与超声测距的盲区
超声波从换能器发射后，在空间传播是有指向性的，指向性最强的为主瓣，其余的为旁瓣，如图3所示。超声波的这种指向性的存在可以达到定向集中能量和减小干扰的目的。然而，旁瓣的出现还是造成了一定的干扰。如图4所示，从障碍物返回的超声波主瓣被接收器接收，同时，直接从超声波探头发出的旁瓣也可能被接收，造成旁瓣干扰。