超聲波測距儀硬件的研究設(shè)計(jì)

1、科 技 天 地INTELLIGENCE超聲波測距儀硬件的研究設(shè)計(jì)吉林航空工程學(xué)校 趙 旭摘 要：利用超聲波測量距離是一種有效的非接觸式測距方法，本文介紹了一種常用的脈沖反射式超聲波測距系統(tǒng)，給出系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案，此系統(tǒng)具有易于控制，成本低，工作可靠，測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 超聲波 測距 研究引言目前測量距離一般采用波在介質(zhì)中傳播速度和時(shí)間關(guān)系進(jìn)行測量。常用的技術(shù)主要有激光測距、微波雷達(dá)測距和超聲波測距三種。超聲波具有指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因而經(jīng)常用于測量距離。相比其他定位技術(shù)而言，超聲波定位技術(shù)成本低、精度高、可操作性強(qiáng)、工作穩(wěn)定，適合短距離測量定位。單

2、片機(jī)為許多控制提供了非常靈活和低成本的解決方案，充分利用片內(nèi)資源，利用較少的外圍電路就可以構(gòu)成功能完善的測距系統(tǒng)。本文介紹一種常見的以單片機(jī)為核心的低成本、高精度、LED數(shù)碼管顯示的超聲波測距儀的硬件設(shè)計(jì)方法。一、系統(tǒng)原理本設(shè)計(jì)采用超聲波渡越時(shí)間檢測法。其原理是利用電路檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波經(jīng)過氣體介質(zhì)傳播到接收器的時(shí)間，即渡越時(shí)間。一般超聲波測距是根據(jù)反射的原理，那么渡越時(shí)間與氣體中超聲波傳播速度相乘再除以2，就是v×t聲波傳播距離。距離d的計(jì)算公式如下：d=2其中v是超聲波在氣體介質(zhì)傳播速度（m/s）；t是渡越時(shí)間（s）。但是實(shí)際來看，限制系統(tǒng)最大可測距離存在幾個(gè)因素：超聲

3、波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角、超聲波發(fā)射頻率等。為了提高靈敏度和最大測距距離，在實(shí)驗(yàn)中適當(dāng)修改電路以達(dá)到理想狀態(tài)。二、硬件電路設(shè)計(jì)1、超聲波發(fā)射電路U1BU1AVCC74LS04I/O2、超聲波接收電路本設(shè)計(jì)中采用一種常用的集成電路CX20106A作為超聲波接收電路的核心。而該集成電路一般常見于電視機(jī)紅外遙控接收器，一般接收38KHz或者40KHz頻率的信號。在實(shí)際中，用CX20106A組成的超聲波接收電路的抗干擾能力和靈敏度都非常理想，并且適當(dāng)改變電容和電阻就可以改變接收的頻率，提高靈敏度和抗干擾能力。3、數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用的一種顯示器件，從內(nèi)部

4、電路連接上共分為共陰極、共陽極兩種，其內(nèi)部是由發(fā)光二極管組成的。從字面意思就可以理解：共陰極數(shù)碼管就是每個(gè)數(shù)碼管的八個(gè)發(fā)光二極管的陰極都連接在一起，而共陽極數(shù)碼管是發(fā)光二極管的陽極都連接在一起。數(shù)碼管與單片機(jī)的接口比較方便，只要將單片機(jī)的8位并行I/O口與數(shù)碼管的段碼引腳相連接即可，從8位并行I/O口輸出不同的段碼，數(shù)碼管就會顯示不同的數(shù)字,如圖2所示。p1.1p1.2p1.3p1.4圖1 超聲波發(fā)射電路原理圖超聲波發(fā)射電路包括超聲波振蕩器和超聲波發(fā)射頭兩部分組成。其電路原理圖如圖1所示。發(fā)射超聲波需要在超聲波振蕩器的外接電路兩端產(chǎn)生振蕩，超聲波發(fā)射頭才能夠發(fā)射超聲波，利用單片機(jī)的I/O口輸出

5、40KHz方波經(jīng)過反向器74LS04一級一級推挽式將方波信號加載到超聲波發(fā)射頭上，可以提高發(fā)射強(qiáng)度，提高驅(qū)動能力。其中R1、R2電阻一方面可以增加阻尼效果，縮短振蕩時(shí)間，另一方面提高74LS04的輸出高電平的驅(qū)動能力。圖2 數(shù)碼管顯示電路結(jié)語超聲波測距所能測的距離大小與傳感器的驅(qū)動功率、測量電路和測量方法有很大的關(guān)系。在設(shè)計(jì)電路時(shí)要調(diào)整部分分立元件的參數(shù)。本文介紹了采用單片機(jī)設(shè)計(jì)的超聲波非接觸式測距系統(tǒng)的硬件組成，在設(shè)計(jì)中分別在發(fā)射和接收電路使用了74LS04和CX20106A兩款集成電路，減少電路之間的干擾，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于小距離測距，智能機(jī)器人檢測等方案中。參考文獻(xiàn)：1 趙珂、向瑛、王忠、施琴紅：高準(zhǔn)確度超聲波測距儀的研制，傳感器技術(shù)，2003，22：55-57。2 韋穗林：數(shù)字式超聲波測距儀的研制，電子設(shè)計(jì)工程，2009，10：39-41。3 張芬、董浩斌、焦彥斌：基于C8051F320單片機(jī)的超聲波