超声波测距装置的研究和设计

中图分类号：TN92 文献标识：A 文章编号：1009-4202（2011）01-294-01

摘 要 利用超声波测量距离具有原理简单、抗干扰能力强等优点，因此超声波测距装置也具备了结构简单，工作情况稳定的优势，被广泛采用。本文通过对其工作原理的介绍和设计实例的分析，介绍了超声波测距装置的基本构造和工作过程。

关键词 基本原理 装置特征 装置设计

一、超声波测距装置的研究

1．装置的应用和基本原理

利用超声波进行距离测量的主要是发挥其受外界干扰较小的优势，而且传感器的结构相对简单，成本不高。在测量的过程中传输的声频不高，便于接收元件识别和计算。因此在机器人研制、车辆辅助系统、测量测绘等方面得到了广泛的应用。而且电子技术的发展让新型的电气元件和传统的超声波理论有机的结合起来，拓展了该技术领域的空间。目前超声波测距装置主要利用的是陶瓷超声波能量转器，作为固体超声波发生装置，发生超声波的频率为40kHz的固定频率，利用先进的单机芯片负责声波的收发，从而计算发射和接收的微量时间差测算出目标距离，这就是超声波测距的原理。

2．超声波测距装置特征

从理论上看，超声波发生装置的电压越高效果越好，这是因就同一个发生系统来看，电压越高其发出的超声波功率也就越大，这样在接收装置上接到的回波功率也就越高，测量也就越准确。但是在实际的应用过程中，设备的应用的工作电压是不可能超过一个极限的，如果超负荷运行就会对装置造成不可修复的损伤。因此在实际的工作中发射模块所产生的脉冲电压是相对的高，而不能无限的放大。基于这样的条件限制，在发射部分的电脉冲信号发出后，由物体反射回的信号当然也就受到一定的限制，其引起的压电晶片产生的电压当然也就较低，而且在其中还会混入一些环境因素导致的杂波，让装置出现错误。所以，在超声波测距装置的设计过程中需要着重研究系统对回收信号的处理，除了需要必要的放大外，也需要进行过滤，要达到芯片能够处理的强度。

二、超声波测距装置的设计

超声波装置的设计因为采用的元件有所差异，其设计的思路也不尽相同，但是其工作的原理、装置组成、工作过程是基本一致的，因此下面选择一种设计方式进行简要的介绍。

1．装置单机芯片功能选择

一般的超声波测距装置主要的系统构成为发射、接收放大、温度测量、数据处理这四个模块，以满足其功能实现。本例中采用的是低电压高性能的单机芯片，具备可编程存储器。这一款单机芯片由Atmel公司出品，可以完全与工业用80C51产品进行兼容，指令和脚本没有冲突。芯片的可编程存储器完全可以适应各种装置的设计需求，满足应用功能。

2．装置的发射电路设计

在超声波装置的应用过程中，理论认为40kHz的超声信号是理想频率。因此在利用555电路的时候电路产生的40kHz的超声波，其振荡可以利用公式：f≈1.43÷（（R1+2×R2）×C1）进行计算，其中R2采用的是可调节电阻，主要是为了实现转换频率的一致性。在设计的过程中R1、R2、C1这三个参数的选取可以利用软件进行选取，最后进行测试以保证准确。而且为了能够保证555的驱动能力装置采用了12伏电源进行供电。工作中555电路产生的40kHz方波通过元件调整，让超声波换能器发出超声波，而且在过程中利用单机芯片通过555的高低电平来实现超声波的发射控制。

3．回波接收的电路设计

装置的设计关键就在于对回波的处理，因为反射回来的声波信号十分的微弱，因此必须经过放大电路的放大，才能保证识别和计算。装置接收到声波信号后，先经过电容的耦合，然后加载到预算放大器上进行两级放大，这里可以采用NE5532，这不仅是因为回波的频带宽，噪声低，更是为了其共模抑制大，电源电压抑制小，因此偏置电压小。而且工作的性能较好，价格合理。在这里实现的两级放大分别为100倍，得到的最终信号放大了10000倍。放大的信号采用电子元件进行比较和调整，通过电阻对其进行调节已选择不同的比较电压，达到对测量距离的调整。

4．装置的温度补偿设计

超声波在传播的过程中可以对其产生影响的因素包括湿度、压力、温度，实践证明温度对其影响最大。因此在超声波测距装置的设计中应当加入必须的温度补偿模块，以保证装置的适应性。在这里应用的是根据超声波的特性总结出的经验公式：V=331.5+0.607T以此作为测距中波速的补偿，V是实际速度，T为温度。一般的装置都会采用数字温度传感器来采集现场温度，并对波速进行补偿。其中如：DS18B20的应用，它是一总线器件，不需要其他调理电路，就能和单片机直接相连。工作过程是，通过DS18B20单片机可以实时采集温度值，在进行测量时将温度补偿给波速，保证单机芯片计算出该温度下的超声波速度。

三、结束语

目前超声波测距装置在电子技术的支持下，已经实现了集成化的控制。设计中利用电机芯片作为控制核心，通过简单的编程保证各部元件的相互配合，已经成为了设计的主要思路和方向。这能够让超声波测距装置更为简单小巧，应用范围也不断扩展。

参考文献：

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