超声波测距电路设计及使用心得

［电子电路］超声波测距电路设计由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。本文所介绍的三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。二、超声波测距原理1、超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。2、 压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。3、 超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：s=340t/2。这就是所谓的时间差测距法。三、超声波测距系统的电路设计图2为声波测距电路原理图，图2为由软件产生40KHZ脉冲驱动发射头，若为简化软件算法，可采用图3硬件产生40KHZ脉冲，由NE555和反相器CD4069组成驱动电路。本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用8751，经济易用，且片内有4K的ROM，便于编程。电路原理图如图2所示。其中只画出前方测距电路的接线图，左侧和右侧测距电路与前方测距电路相同，故省略之。囹3⑶囹3⑶王程序遍程囹囹3Cb）定时中断服务子程序图3肿）外部中断服务子程序图？超声波测距系统的软件设计前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，工作原理与前方测距电路相同。2、超声波的接收与处理接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4决定其锁定带宽。调节R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，发射超声波为40KHZ当接收到的信号接近40KHZ时，则输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理，在调试时，M567还是很好调出来的，只要发射的超声波频率是正确的，就很容易调试出来。在焊接超声波发射头与接收头时，会看到在某个引脚上有一个大一点的黑圈，大家或许会想到是否有方向正反的问题，按照超声波发射接收头原理来说无正反问题，但在实际使用时还是要区分正反，两个接收头有大一点黑圈的正是它们的正方向端，当然并不是说接反以后就不能使用，当不小心接反后，发射头与接收头还可以工作，本人在使用时特意测试过，但信号强度会大受影响，接反后信号强度不到正向接时的一半，所以为使测量距离较大，应该避免接反使用。还有一个疑问就是发射头与接收头之间的距离多少合适一些，根据以往经验，应该在4~5cm左右为适。前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口，同时单片机P1.3和P1.4接到IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。RE：SETHQRSEN> 圈2麹声波测距电爵原理图工U20R3215KR3O2ECoDISC25Q.OOluFJF25CSBFASHE£TR]GqTHR各§NE555、£HU112SHU3CHUIqSHU35GHU1671214133124115106973U21CD4069VCCi£T33Tz"TTshuiIo~9SHUTC2riO.luF-rp4luF图3超声波发射原理图IKCHAOSBJS1M=^C3OIPJ6FR7D R71-Wp_ WVf为iFXL2;tT(e侦就扁川:FX3dFZ+7—lOuFVCC| w.―VCC| 5—11C0K1 100K图4超声波接收原理图图3超声波发射是利用硬件产生40KHZ脉冲来驱动产生波发射头工作，由NE555的使能端来控制超声波的发射与否，当为低电平时NE555停止工作。图4为相应的接收原理图。使用LM324做两级放大。3、计算超声波传播时间在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。在发射头刚开始发射超声波的一瞬间，接收头会接收到一定的信号，但这并不是反射回来的超声波，所以要利用软件控制将这个干扰去除掉，在控制开始发射超声波时延时一段时间即可屏去干扰，当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。其部分源程序如下：RECEIVE0：PUSHPSWPUSHACCCLREX0；关外部中断0MOVR7,TH0；读取时间值MOVR6,TL0?CLRCMOVA,R6SUBBA,#0BBH；计算时间差MOV31H,A；存储结果MOVA,R7SUBBA,#3CHMOV30H,A?SETBEX0；开外部中断0POPACC?POPPSW四、 超声波测距系统的软件设计软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图3(a)(b)(c)所示。主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主