超声波测距报警系统的设计

引言

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000Hz。当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。

1.超声波测距原理

超声波是指频率高于20KHz 的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波，完成这种功能的装置称为超声波传感器。超声波传感器有发送器和接收器，有的也可具有发送和接收声波的双重作用。根据超声波的产生方式，超声波传感器可分为两大类：一类是电气式，如压电式、磁致伸缩式和电动式等；一类是机械式，如加尔统笛、液哨等。目前常用的是压电式超声波传感器。它利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即发射超声波时，将电能转换为超声波发射出去；在收到回波时，将超声振动转换成电信号。

超声波测距的原理一般采用时间差法，即测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即：

式中，D—传感器与障碍物之间的距离；c—声波在介质中的传输速度。

由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测物体不需直接接触，故超声波传感器广泛地应用于液体高度测量、汽车倒车等方面。为了提高测量精度，减小误差，根据公式（1）可知，测距误差由传播速度误差和传播时间误差引起。

当传播速度准确时，传播时间差值精度只要达到微秒级，就可保证测距误差小于1mm。设计中，可采用12MHz 晶体作时钟的基准，单片机定时器的计数精度可达1us，从而保证测量精度。

传播速度受空气密度的影响，空气密度越高，传播速度越快，而空气密度与温度有密切关系。在理想气体中声波的传播速度c 为：

式中，γ—气体定压比热容与定容比热容之比；R—气体常数；M—气体分子量；T—绝对温度。

若温度变化不大，则可认为声速基本不变，其值为340m/s。若测距精度要求较高，为减小温度变化对声速产生的影响，在设计中，应增加温度传感器来监测环境温度，进行实时温度补偿，近似公式为：

式中，c0—零度时的声波速度332m/s； T—实际温度（℃）。

2.测距报警系统设计

2.1 硬件设计

电路原理图如图1 所示。采用PIC16F73 单片机作为主控制器，实现对CX20106 红外接收芯片（红外常用的载波频率38KHz 与测距超声波频率40KHz 较为接近） 和TCT40 系列超声波转换模块的控制。单片机通过端口RB1 控制超声波的发送，然后单片机不停地检测中断端口RB0/INT，当端口RB0/INT 的电平由高电平变为低电平时，系统认为超声波已返回。计数器所计数据即为超声波所经历的时间，通过换算可得到传感器与障碍物之间的距离。超声信号的驱动由单片机定时器完成，LED 数字显示采用动静态驱动相结合的方法实现，报警模块采用简单的声光报警电路。

图1 测距报警系统电路原理图

系统利用单片机的定时器功能产生40KHz 脉冲信号， 并通过端口RB1 输出到超声波发射部分。超声波发射电路中， 六反相缓冲器CD4049 包括6个非门，现仅使用3 个，为防止干扰或被静电击穿导致整个CD4049 损坏，把未使用的3 个非门串起来做接地处理。当控制端输出一系列固定频率脉冲时，在超声波发射器TCT40-1F 上就以固定的频率加正电压和反电压，从而发出大功率的超声波。这种以软件方式产生的波形较用其他方式产生的效果更理想。

接收器采用与发射器相配对的TCT40-2S， 将超声波调制脉冲转换为40KHz 毫伏级电压信号， 此信号需经过放大处理才能触发单片机中断。芯片CX20106 内置前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型电路等。其中前置放大器具有自动增益控制功能，可保证在超声波传感器接收较远反射信号而输出微弱电压时，放大器有较高的增益，而在近距离输入信号强时，放大器不会过载。调节芯片引脚5 的外接电阻R3 的值，可设置滤波器的中心频率。当RB3=200K时，中心频率为42KHz；当RB3=220K 时，中心频率为38KHz。当接收到与滤波器中心频率相符的信号时，引脚7 输出一个低电平，从而触发中断。适当改变引脚2 的外接电容C4 的值，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

3位LED数码显示采用显示器动静态驱动相结合的方法实现。采用单片机串行口通过74HC164 串入并出移位寄存器来输出LED 的段驱动信号，每个LED 的段信号都连在一起，并与74HC164 输出的段驱动信号连接。每个LED 的位驱动信号由单片机的端口RB5~RB7 通过ULN2004 驱动集成块分别驱动，LED 需用共阴数码管。

报警模块的功能是， 当传感器与障碍物的距离不小于设定值时，绿色指示灯闪亮；反之，红色指示灯闪亮，蜂鸣器发声，提示人员注意安全距离。

2.2 软件设计

软件分为两部分：主程序和中断服务程序，流程图如图2 所示。主程序完成初始化工作及超声波发射和接收控制。中断服务程序包括定时中断服务子程序和外部中断服务子程序，分别完成超声波的发射、距离计算及显示报警等工作。

图2 测距报警系统程序流程图

3.测试结果

当距离大于2m 时，绿灯闪亮，显示距离；当距离小于1m 时，红灯闪亮，由端口RB2 驱动蜂鸣器报警，显示距离；当距离介于2m 和1m之间时，红灯闪亮，显示距离。为提高抗干扰能力，系统连续发射超声波，测量三次，从中剔除最大最小值，取中间值计算出距离。

4.结语

此系统较好地实现了测距及报警功能，可用于汽车倒车、液位监控等场合，而且测量简单、经济、可靠。