摘要：本文設計并實現了一個以MCS-51單片機為核心的超聲波測距模塊。該模塊由超聲波發(fā)射單元、超聲波接收單元、溫度測量單元、顯示單元和ISP下載單元等組成，由單片機產生超聲波的發(fā)射信號并對其傳播時間進行測量，依據超聲波在空氣中的傳播特性，換算出距離數據，從而實現測量距離的目的。設計中采用LM386作為超聲波的發(fā)射驅動，采用集成芯片CX20106作為超聲波接收單元，結構簡潔，集成度高。通過實驗表明，該模塊性能可靠，能較準確地測出與障礙物之間的距離，達到了設計要求。
關鍵詞：超聲波測距；MCS-51單片機；LM386；CX20106
0 引言
在多數項目研發(fā)中，距離測量顯得越來越重要，常用的測距方式主要有雷達測距、紅外測距、激光測距和超聲測距等4種。雷達測距對天氣的依賴性較強，且成本較高；紅外測距測量范圍窄；激光測距精度高、抗干擾力強、但成本高，且光學系統(tǒng)需細心維護；超聲波測距指向性強、傳輸距離遠、受環(huán)境影響小、傳播時間容易檢測，而且超聲波傳感器結構簡單、性能可靠、成本低、易于集成，因此本文采用超聲波方式進行距離測量。
1 超聲波測距原理
超聲波發(fā)生器內部有兩個壓電晶片和一個共振板，當兩極外加脈沖信號的頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將發(fā)生共振，并帶動共振板振動，從而產生超聲波；同理，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片產生振動，將機械能轉換為電信號。
測距原理如圖1所示。
被測距離。式中：s為超聲波傳播距離；h為發(fā)射探頭與接收探頭之間的距離。
由于s遠大于h，因此可近似認為d=s，則d=s=ct／2，t為發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔，c為超聲波在空氣中的傳播速度。
在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是334m／s，但其傳播速度c易受空氣中溫度的影響，聲速與溫度關系如表1所示，由此可修正超聲波傳播速度
可見，只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時間差t以及環(huán)境溫度T，就能得到較為精確的距離。
2 方案設計
2．1 電路設計
設計的超聲測距模塊由超聲波發(fā)射單元、超聲波接收單元、溫度測量單元、液晶顯示單元和ISP下載單元等部分構成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。
2．1．1 單片機單元
單片機是整個系統(tǒng)的控制核心，本文選用AT89S51，測量時，由單片機輸出40 kHz左右的脈沖信號，驅動超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波脈沖，同時啟動單片機計時器，開始計時。超聲波達到目標時回傳，經空氣傳播被超聲波接收器接收，此時計時停止，經計算可得超聲波從發(fā)射到接收的時間間隔t，從而得到距離數據。
2．1．2 超聲波發(fā)射單元
考慮到單片機端口驅動能力有限，本文采用LM386對輸出信號進行功率放大，LM386多用于音頻放大，也可用于超聲波發(fā)射。如圖3所示，LM386第1腳和第8腳之間串接的E1、R1，可使電路獲得較大的增益，T0為單片機輸入的脈沖信號，經功率放大后由第5腳輸出，驅動探頭發(fā)射超聲波。
2．1．3 超聲波接收單元
為了順利接收回波信號，本文采用索尼公司生產的集成芯片CX20106，如圖4所示，CX20106是一款紅外線檢波接收的專用芯片，由于紅外遙控常用的載波頻率38kHz與超聲波頻率40kHz比較接近，而且CX20106內部設置的濾波器中心頻率f0可由其5腳外接電阻調節(jié)，范圍為30～60 kHz，因此本文采用它來做接收電路。
回波信號先經過CX20106內部的前置放大器和限幅放大器，將信號調整到適當的幅值，由濾波器進行頻率選擇，濾除干擾信號，再經整形，送給輸出端7腳，7腳與單片機INT0連接，當接收到與濾波器中心頻率相符的回波信號時，輸出端7腳即輸出低電平，觸發(fā)中斷。
2．1．4 溫度測量、液晶顯示與ISP單元
溫度測量單元選用1Wire總線器件DS18B20作為傳感器，實現對溫度數據的采集，液晶模塊實現測量數據的顯示，ISP單元實現程序代碼的在系統(tǒng)下載，電路圖從略。
2．2 軟件設計
軟件部分主要包括主程序和中斷服務子程序，如圖5所示。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、溫度讀取和超聲波發(fā)射；中斷服務子程序主要完成計數值的讀取、距離計算、輸出顯示等工作。
3 實驗結果及分析
表2是利用本文的測距模塊實際測量的結果。由表中數據可見，在30cm范圍內誤差較大，這是由于超聲波信號的發(fā)射必須有一個上升時間，如果距離太近單片機難以及時處理回波信號，無法正確檢測回波到達時間，因而測量誤差明顯增加；而距離在30em以上時，由于引入溫度補償單元，因而誤差相對較小。
4 結束語
本文設計的超聲波測距模塊，采用了集成元件LM386、CX20106作為發(fā)射和接收的核心器件，并引入了DSl8B20作為溫度補償單元，因此結構簡單、集成度較高、可靠性較強，通過實驗驗證，測量結果與實際距離相近，基本滿足測量要求。
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