基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的主要硬件電路

本文簡(jiǎn)要介紹了基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的主要硬件電路。 隨著檢測(cè)技術(shù)研究的不斷深入，對(duì)超聲檢測(cè)儀器的功能要求越來(lái)越高，單數(shù)碼顯示的超聲檢測(cè)儀測(cè)讀會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)試誤差。進(jìn)一步要求以后生產(chǎn)的超聲儀能夠具有雙顯及內(nèi)帶有單板機(jī)的微處理功能。

    傳統(tǒng)的測(cè)距方式在某些特殊場(chǎng)合存在不可克服的缺陷。如液面測(cè)量、井下測(cè)量等受到很大的限制。利用超聲波測(cè)距可解決這些問題，因此超聲波測(cè)距技術(shù)在工業(yè)控制、勘探測(cè)量、機(jī)器人定位等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。所謂超聲波是指高于20KHZ的機(jī)械波，具有強(qiáng)度大、方向性好等特點(diǎn)。本系統(tǒng)選用M68HC08單片機(jī)為控制部件。

    一、設(shè)計(jì)原理
    當(dāng)超聲波從空氣中垂直入射到汽油、木材、鋼材時(shí)，幾乎產(chǎn)生全反射，這樣，反射回來(lái)的回波具有足夠的能量被接收探頭所接收，為超聲波測(cè)距創(chuàng)造了可能性。

"     如圖1所示，超聲波測(cè)距原理是通過超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就停止計(jì)時(shí)。常溫下超聲波在空氣中的傳播速度為C=340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(S)，即：s=c*t/2=c*t0（t0就是所謂的渡越時(shí)間）

    二、超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體方案
    本系統(tǒng)中選用的探頭是40KHz的超聲傳感器，有一支接收傳感器SZW-R40-10P和一支發(fā)射傳感器SZW-S40-12M。
    MC68HC908GP32單片機(jī)是Motorola公司的第2代8位微控制器，由于其高性價(jià)比，非常適用于中小型MCU開發(fā)商和生產(chǎn)廠家的歡迎。這類MCU的指令集非常精簡(jiǎn)，容易被用戶掌握。其主要硬件資源有：片內(nèi)307字節(jié)的監(jiān)控ROM，32KB的片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器和512B RAM，33根通用的I/O引腳，2個(gè)16位的雙通道定時(shí)器接口模塊，外部中斷，同時(shí)具有看門狗監(jiān)視復(fù)位，低電壓極限檢測(cè)復(fù)位，非法指令檢測(cè)復(fù)位等，使得應(yīng)用系統(tǒng)免除了進(jìn)入死循環(huán)的危險(xiǎn)。

（一）發(fā)射電路。本系統(tǒng)采用方波調(diào)制的脈沖發(fā)射電路，即采用單片機(jī)的PORTA4口作為IO口，同時(shí)外接驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)提高其輸出電流的驅(qū)動(dòng)能力，保證40KHz的脈沖信號(hào)有一定的功率。單片機(jī)產(chǎn)生以5個(gè)40KHz為一組的脈沖群，加到壓電晶片上能使晶片發(fā)出超聲波，當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，發(fā)射傳感器兩端就加上了高電壓，內(nèi)部的壓電晶片開始振動(dòng)，此時(shí)接收傳感器的兩端可以檢測(cè)到有40KHz信號(hào)；當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí)，發(fā)射傳感器通過回路放電，此時(shí)接收傳感器可以接收到回波信號(hào)。
    （二）接收前置及帶通放大電路。放大電路共有三級(jí)：前置放大器是高阻抗輸入級(jí)，高輸入阻抗是為了與傳感器的高阻抗匹配。
    課題中的帶通放大器采用了集成濾波器MAX275，這是一款連續(xù)時(shí)間模擬集成有源濾波器，片內(nèi)硬件由四個(gè)運(yùn)算放大器及若干電阻電容組成。MAX275組成的濾波器具有外接元件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)調(diào)整方便和不受運(yùn)算放大器本身頻率特性影響等優(yōu)點(diǎn)；由于沒有外接電容，而且是單片結(jié)構(gòu)，因而高頻場(chǎng)合時(shí)受分布電容的影響較小。MAX275使用±5V電源，電源電流最大不超過30mA。

    （三）LED顯示電路。MAX7219就是一種高性能，低價(jià)格的多位LED顯示驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰極LED或64只獨(dú)立的LED發(fā)光二極管，其內(nèi)部具有14*8RAM數(shù)字和功能控制寄存器，可方便的對(duì)每位數(shù)字進(jìn)行單獨(dú)控制，刷新，不需重寫整個(gè)顯示器寄存器。如圖5，通信方式采用串行數(shù)據(jù)方式，可與68HC08系列的任何一種微控制器方便的接口，廣泛應(yīng)用在條狀圖形顯示器，7段數(shù)碼管顯示器，工業(yè)控制器顯示模板，面板表與LED矩陣顯示屏等眾多場(chǎng)合。

    三、結(jié)論
    本系統(tǒng)在空氣中測(cè)量范圍為0～3m左右，對(duì)固體，液體表面均可測(cè)量，但要求被測(cè)表面比較光滑平坦，確保超聲波能夠被反射回來(lái)，并被探頭接收。在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)8～260cm范圍進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)誤差補(bǔ)償后近距離是最大誤差達(dá)30mm。線性度，穩(wěn)定性和重復(fù)性都比較好。