隨著電子技術(shù)的發(fā)展，測(cè)距技術(shù)越來越先進(jìn)，從采用卷尺人工進(jìn)行丈量，到用水準(zhǔn)儀和三角理論進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，甚至采用激光測(cè)距等，這些測(cè)量手段因精度低、操作繁瑣或成本高而不盡人意。隨著超聲波的應(yīng)用日益廣泛，超聲測(cè)距在測(cè)試領(lǐng)域中得到應(yīng)用，該類產(chǎn)品如進(jìn)口的超聲波液位計(jì)、超聲波測(cè)位儀等性能雖好，但價(jià)格昂貴。目前，超聲波傳感器技術(shù)已廣泛用于工業(yè)、國防、交通、生物醫(yī)療和家庭領(lǐng)域。超聲波傳感器技術(shù)與信息技術(shù)、集成工藝相結(jié)合，為開發(fā)智能化、高靈敏度的超聲波儀器設(shè)備創(chuàng)造了有利條件。鑒于此，運(yùn)用嵌入式單片機(jī)技術(shù)、結(jié)合CAN總線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)一種嵌入式超聲波測(cè)距儀具有很大的發(fā)展前景。它可以做到成本低、外圍電路簡單、功能齊全、能夠滿足一定的測(cè)量要求。

　　1　超聲波傳感器

　　1.1　典型結(jié)構(gòu)

　　超聲波傳感器是利用超聲波的特性而研制的傳感器，超聲波傳感器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是把成正方形的兩個(gè)壓電晶片（亦稱雙晶振子）按照相反的極性粘貼在一起，再引出兩個(gè)電極。壓電晶片上面有金屬震動(dòng)板和圓錐形振子。圓錐形振子具有很強(qiáng)的方向性，便于發(fā)送和接收超聲波。超聲波傳感器采用金屬或塑料外殼，其頂部有屏蔽柵。

1.2       測(cè)距原理

1、 超聲波發(fā)生器

為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。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。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。

2、壓電式超聲波發(fā)生器原理

壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(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)，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)它就成為超聲波接收器了。

3、超聲波測(cè)距原理

超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。

超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。

測(cè)距的公式表示為：L=C×T

式中L為測(cè)量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。

超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。

由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段。在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測(cè)距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度。通過分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們?cè)O(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度。

超聲波測(cè)距誤差分析

根據(jù)超聲波測(cè)距公式L=C×T，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。

時(shí)間誤差

當(dāng)要求測(cè)距誤差小于1mm時(shí)，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s (20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測(cè)距誤差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。

在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測(cè)量范圍內(nèi)。

超聲波傳播速度誤差

超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系，如表1所示。

已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下：

式中： r —氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對(duì)空氣為1.40，
R —氣體普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，
M—氣體分子量，空氣為28.8×10-3kg·mol-1，
T —絕對(duì)溫度，273K+T℃。

近似公式為：C=C0+0.607×T℃

式中：C0為零度時(shí)的聲波速度332m/s；
T為實(shí)際溫度(℃)。

對(duì)于超聲波測(cè)距精度要求達(dá)到1mm時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0℃時(shí)超聲波速度是332m/s, 30℃時(shí)是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測(cè)量100m距離所引起的測(cè)量誤差將達(dá)到5m，測(cè)量1m誤差將達(dá)到5mm。

　　超聲波具有頻率較高，沿直線傳播、方向性好、繞射小、穿透力強(qiáng)、傳播速度慢（約340m/s與聲速相同）等特點(diǎn)。

　　超聲波對(duì)固體和液體的穿透能力強(qiáng)，尤其對(duì)于在陽光下不透明的固體，可以穿透幾十m的深度。超聲波遇到雜質(zhì)或分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波，利用這一特性可構(gòu)成超聲波探傷儀或測(cè)距儀。超聲波遇到移動(dòng)物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)（DopplerEffect），使接收到的頻率發(fā)生變化，由此可制成多普勒測(cè)距系統(tǒng)。

　　超聲波測(cè)距原理是超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波脈沖，經(jīng)媒質(zhì)（空氣）傳到物體表面，反射后通過媒質(zhì)（空氣）傳到接收探頭，測(cè)出超聲脈沖從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，根據(jù)媒質(zhì)中的聲速，求得從探頭到物體表面之間的距離。設(shè)探頭到物體表面的距離為L超聲在空氣中的傳播速為v從發(fā)射到接收所需的傳播時(shí)間為t則有：L=vt/2。由此可見，被測(cè)距離L與傳播時(shí)間之間具有確定的函數(shù)關(guān)系，只要能測(cè)出時(shí)間t即可求出距離L通過軟件實(shí)現(xiàn)直接在顯示器上顯示L的值。

　2　硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1　整體方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)所給的設(shè)計(jì)要求，即具有數(shù)字顯示、鍵盤輸入、超聲波發(fā)射與接收、能通過CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通信、異常情況自動(dòng)報(bào)警等功能?？梢詷?gòu)架出此嵌入式超聲波測(cè)距儀的整體方案設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。從圖2中可以看出整體硬件電路設(shè)計(jì)主要包括：微處理器AT89C51部分、電源電路部分、超聲波發(fā)射與接收電路部分、鍵盤輸入部分、CAN總線通信部分、LED顯示部分?，F(xiàn)將重點(diǎn)介紹超聲波發(fā)射、接收電路和CAN總線通信電路的具體設(shè)計(jì)。

　2.2　超聲波測(cè)距電路

　　超聲波測(cè)距電路主要包括兩個(gè)部分：超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路，具體的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。圖2中上半部分就是超聲波發(fā)射電路，微處理器AT89C51通過編程在端口P16產(chǎn)生一個(gè)40kHz的超聲波信號(hào)，經(jīng)過兩個(gè)74LS14非門將信號(hào)驅(qū)動(dòng)整形，再由三極管Q9對(duì)其進(jìn)行放大，最后經(jīng)過變壓器T1送到超聲波傳感器CSB-T40這樣就可以通過超聲波傳感器CSB-T40發(fā)出相應(yīng)的超聲波信號(hào)。而圖3中的下半部分就是超聲波接收電路，超聲波信號(hào)通過障礙物發(fā)射到超聲波傳感器CSB-R40后，產(chǎn)生一定的電信號(hào)，電信號(hào)通過集成塊BX1490放大后送到了2個(gè)74LS14非門電路整形，最后進(jìn)入微處理器AT89C51的P17端口。這樣就完成了1次超聲波測(cè)距的掃描過程，它可以通過程序來控制計(jì)數(shù)器，將計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的時(shí)間，再用時(shí)間乘以超聲波的傳播速度后除以2既可以得到障礙物與超聲波傳感器之間的距離。

2.3　CAN總線通信電路

　　考慮到現(xiàn)在的智能測(cè)試設(shè)備日益趨于網(wǎng)絡(luò)化，則將CAN總線通信功能也設(shè)計(jì)進(jìn)了此嵌入式超聲波測(cè)距儀中，CAN總線通信電路系統(tǒng)主要有AT89C51微控制器、獨(dú)立CAN通信控制器SJA1000、CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250及復(fù)位電路IMP708組成。CAN總線應(yīng)用節(jié)點(diǎn)具體電路設(shè)計(jì)如下圖4所示。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，設(shè)計(jì)在SJA1000和CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250之間增加了光電隔離器6N137。當(dāng)微處理器AT89C51將測(cè)距結(jié)果數(shù)據(jù)通過P0口發(fā)送到CAN總線控制器SJA1000由SJA1000將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)從端口TX0發(fā)出，經(jīng)過光電隔離器6N137后到達(dá)CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。相反，來自CAN總線的數(shù)據(jù)也可以經(jīng)過相應(yīng)電路到達(dá)微處理器。這樣就可以實(shí)現(xiàn)測(cè)距儀與上位機(jī)的通信功能。

3　程序設(shè)計(jì)

　　3.1　主程序設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主程序主要包括系統(tǒng)的啟動(dòng)后對(duì)系統(tǒng)的初始化、超聲波發(fā)射與接收、中斷管理、計(jì)時(shí)程序、測(cè)距計(jì)算、結(jié)果顯示、CAN通信、報(bào)警等其他子程序組成。根據(jù)以上超聲波測(cè)距儀的工作原理描述，系統(tǒng)主程序的流程圖設(shè)計(jì)如圖5所示。在主程序初始化后就進(jìn)入超聲波信號(hào)發(fā)送程序，即利用程序產(chǎn)生超聲波信號(hào)由微處理器的P16端口送出，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入計(jì)時(shí)狀態(tài)，同時(shí)檢測(cè)P17端口是否能接收到超聲波的回波信號(hào)，但檢測(cè)到回波信號(hào)就關(guān)閉外部中斷進(jìn)入計(jì)算距離子程序，接下來進(jìn)行是否報(bào)警驗(yàn)證和CAN通信子程序，最后打開外部中斷完成一次測(cè)距掃描過程，即主程序結(jié)束。