基于超声波传感器的无接触式空气测距方法

摘要：为了克服一些传统距离测量方式在某些特殊场合无法测量的缺陷，设计以P89LPC932为核心，利用超声波传感器实现了无接触式空气测距的方法，充分考虑声速与温度的密切关系，进行温度补偿，进一步获得测距最远700 cm左右，精度最优达到1%。该设计具有较强的抗干扰能力，安装简单，体积小，功耗低，便于嵌入其他系统的特点。

　　关键词：P89LPC932;超声波;测距仪;无接触式空气测距
 

　　引言

　　一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷。例如，液面测量就是一种距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲来检测液面，电极长时间浸泡于水中或其他液体中，极易被腐蚀、电解，失去灵敏性。利用超声波测量距离可以解决这些问题。

　　本文设计的超声波测距仪用三种测距模式选择跳线J1(短距、中距、可调距)。其整体方案为当按下测量键，探头就发送超声波，当超声波遇到障碍物时将产生回波信号;系统将探头接收到的回波信号放大送入控制器;温度测量电路测出温度，通过计算得到所测距离，显示在数码显示器上，后4位显示距离，前2位显示温度。

　　1 超声波测距仪基本原理

　　利用超声波测量距离的原理如图1示所示，简单描述为：定期发送的超声波遭遇到障碍物时发生反射，反射波经由接收器接收并转化为电信号，这样只要测出发送和接收的时间差△t，然后按照式(1)即可求出距离：

　　式中：C为超声波在空气中的传播速度，0℃时C为331 m/s，25℃时C为347 m/s，其与环境温度T(单位：℃)的关系如式(2)：

　　由此可见，声速与温度有密切关系。在应用中，如果温度变化不大，并且无特殊精度要求，可认为声速是基本不变的，否则，必须进行温度补偿。温度补偿方法为每次先按照式(2)计算当时声速C，然后再按照式(1)计算距离。

　　另外，从图1还可以看出，由于超声波利用接收反射波来进行距离的计算，因而不可避免地存在发射与反射之间的夹角，其大小为2a。当a很小时，可直接按式(1)进行计算得到距离;当a较大时，则必须进行距离修正，修正公式如式(3)：

　　2 系统硬件

　　超声波测距仪主要包括：温度检测电路，超声波发射及控制电路，超声波接收及信号处理电路，显示电路，微处理和其辅助电路以及RS 232通信接口电路，其结构框图如图2所示。

　　2.1 超声波发射及控制电路

　　超声波探头的型号选用CSB40T，利用软件产生40 kHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波，如图3所示。从图中可看出，40 kHz超声波信号是利用555时基电路震荡产生的。震荡频率计算式如下：

　　将R10设计为可调电阻的目的是为了调节信号频率，使之与换能器的40 kHz固有频率一致。为保证555时基具有足够的驱动能力，宜采用+12 V电源。CNT为超声波发射控制信号，由微处理器进行控制。

　　 2.2 超声波接收器的设计

　　超声波接收器包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，这里采用CSB 40R。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正弦波信号不能直接被微处理器接收，因此必须进行波形变化。如图4所示，前级采用NE5532构成10 000倍放大器，对接收信号进行放大;后级采用LM311比较器对接收信号进行调整，LM311的3管脚的输入为比较电压，可由J1跳线选择不同的比较电压以选择不同的测距模式，如图5所示。

　　模组提供了测距模式选择跳线J1，可以选择短距测量模式、中距测量模式或距离可调模式。跳线选择LOW时为近距测量模式，选择HIGH时为中距测量模式;选择SET时为距离可调模式。

　　2.3 温度测量电路

　　当环境温度变化时，超声波波速会随之变化，所以要进行修正。因而系统中设置了一个温度检测电路，实时采集温度，对波速进行修正。测温电路使用的传感器为DS1820，如图6所示。具有9，10，11，12位转换精度，未编程时默认精度为12位，测量误差一般为0.5℃，软件处理后可达0.1℃。

　　3 系统软件

　　系统流程图如图7所示。

　　微处理器P89LPC932先把P1.6置0，启动超声波探头发射超声波，同时启动内部定时器T0开始计时。然后检测温度并进行温度补偿，当超声波信号遇到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停扫描P2.7引脚，如果P2.7接收的信号由高电平变为低电平，表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。再把定时器中的数据经过换算就可以得出所测距离。

　　4 结语

　　本系统具有三种模式跳线选择，因此具有测量准确度较高、抗干扰能力强、反应速度快等特点。实验表明，本测距仪实测精度最优达到1%，最远测距为700 cm左右。