超聲波測距的原理和超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計詳細(xì)概述

由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。

為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。本文所介紹的三方向（前、左、右）超聲波測距系統(tǒng)，就是為機器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個運動距離信息。

二、 超聲波測距原理

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、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(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，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，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，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。

3、超聲波測距原理

超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，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時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離（s），即：s=340t/2

圖1 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)

這就是所謂的時間差測距法。

三、 超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計

本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時，單片機選用8751，經(jīng)濟(jì)易用，且片內(nèi)有4K的ROM，便于編程。電路原理圖如圖2所示。其中只畫出前方測距電路的接線圖，左側(cè)和右側(cè)測距電路與前方測距電路相同，故省略之。

1、40kHz 脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射

測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用UCM40的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號，這由單片機執(zhí)行下面程序來產(chǎn)生。

PUZEL： MOV 14H， #12H；超聲波發(fā)射持續(xù)200ms

HERE： CPL P1.0 ；輸出40kHz方波

NOP ；

NOP ；

NOP ；

DJNZ 14H，HERE；

RET

前方測距電路的輸入端接單片機P1.0端口，單片機執(zhí)行上面的程序后，在P1.0 端口輸出一個40kHz的脈沖信號，經(jīng)過三極管T放大，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHz的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200ms。右側(cè)和左側(cè)測距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口，工作原理與前方測距電路相同。

2、超聲波的接收與處理

接收頭采用與發(fā)射頭配對的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?，?jīng)運算放大器IC1A和IC1B兩極放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1R8C3，電容C4決定其鎖定帶寬。調(diào)節(jié)R8在發(fā)射的載頻上，則LM567輸入信號大于25mV，輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷請求信號，送至單片機處理。

前方測距電路的輸出端接單片機INT0端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機INT1端口，同時單片機P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。部分源程序如下：

RECEIVE1：PUSH PSW

PUSH ACC

CLR EX1 ；關(guān)外部中斷1

JNB P1.1， RIGHT ；P1.1引腳為0，轉(zhuǎn)至右測距電路中斷服務(wù)程序

JNB P1.2， LEFT ；P1.2引腳為0，轉(zhuǎn)至左測距電路中斷服務(wù)程序

RETURN： SETB EX1；開外部中斷1

責(zé)任編輯 LK