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超声波测距系统的设计与实现

图4-13超声波回波信号整形电路

图4-14 40KHz超声波接收电路

4.3 显示电路设计

在单片机应用系统中，LED数码管的显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I／O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时,再发送新的字形码，因此，使用这种方法较为简单与便利。可以提供单独锁存的I／O接口电路很多，常用的就是通过串口外接串并转换器74LS164，扩展并行的I／O口。需要几个数码管就扩展几个并行接口，数码管直接接在74LS164的输出脚上，单片机通过串口将要显示数据的字形码逐一的串行移出至74LS164的输出脚上数码管就可以显示相应的数字。

在显示电路的设计上，利用单片机的P0～P2口来控制数码管显示，这种接法虽然比较浪费管脚资源，但是对单片机的理论知识要求相对比较低，而且超声波发射和接收电路并不需要很多的管脚来支持，所以我选择这种方案。数码管的选择上，

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盐城工学院本科生毕业论文 (2010)

为了使数码管亮度大，本人选择了共阳极的数码管，数码管管脚接到低电平发亮。显示及其驱动电路的原理图见图4-15。

图4-15 数码管显示电路

4.4 稳压电源设计

因为本次设计的元器件都可以使用+12V或是+5V的电源来驱动，所以我制作了一个稳压电源，它使用三端集成稳压器CW7812和CW7805来设计。通过变压器的直流电通过由二极管组成的桥式整流电路进入三端稳压元件，CW7812和CW7805分别为电路提供稳定的12V和5V直流电源。极性电容起滤波电容的作用，非极性电容则可以改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。如图4-16所示：

图4-16稳压电源

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图4-17 单片机电路

4.5硬件电路设计优化

4.5.1 提高测距的范围

由于空气对超声波的吸收与超声波频率成正比，因此用来测距的超声波的频率不能很高。另一方面，频率越低，波长越长，测量的绝对误差就越大。所以，40Kz的超声波单频测距的范围只有5～6米，无法满足我们的要求。为了解决测量范围和测量精度之间的矛盾，我们采用双频测距的方法。其测距原理是：控制器现发出一串频率为fH的超声波，串长度可以有10～16个完整的波形，接着送出4～8fL低频率的超声波。这种在时域上连续的两种频率的超声波被前方的目标反射后，形成回波，回波经由接收器形成回波脉冲EchoH和EchoL。由于高频声波先发出，对于同一个目标，其回波EchoH先到达CPU，因此，对于较近的目标，首先用高频超声波探测。当目标较远时，高频超声波被空气吸收而大幅衰减，接收器接收到的回波中只有低频超声波EchoL。由于该装置在距离较远时对精度要求不是很高，所以可以用EchoL探测。如图4-17所示：

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图4-17 双频超声波测距工作时序图

t0、t1分别为高、低超声波发射的开始时间，t2、t3为高、低超声波回波到达的时间，所测得的距离分别为：

D1=c(t2-t0)/2 (4-1)

D2=c(t3-t1)/2 (4-2)

经试验可知，用双频超声波发射，量程可达到25m。 4.5.2 发射探头和接收探头间的影响

超声波从发射到接收的时间间隔是由控制器内部的定时器来完成的。由于发射器探头与接收器探头的距离不大，有部分波未经被测物就直接绕射到接收器上，造成发送部分与接受部分的直接串扰问题。这一干扰问题可通过软件编程，使控制器不读取接收器在从发射开始到\虚假反射波\结束的时间段里的信号。这样，就有效

的避免了干扰，但另一方面也形成了20cm左右的“盲区”。 4.5.3 超声波的衰减

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱，这种现象叫

超声波的衰减。引起超声波衰减的主要原因有： （1）扩散衰减:超声波在传播过程中，由于声束的扩散能量逐渐分散，从而使单位面积内超声波的能量随传播距离的增加而减弱。超声波的声压和声强均随至声源的距离的增加而减弱。 （2）散射衰减:当声波要传播过程中遇到由不同声阻抗介质所组成的界面时，就将产生散乱反射，从而损耗了声波的能量，被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径

传播下去，最终变为热能。 （3）粘滞衰减:声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性造成近质点之间的内摩擦

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从而使一部分声能转化热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，这就是介质的吸收现象。

超声波的衰减有两种表示方法。一种是用底波多次反射的次数来表示。这种方法仅能粗略地比较声波在不同材料中的衰减程度，也就是对同样厚度的不同材料在同样的仪器灵敏度下，观察它们的底面反射波的次数，底波次数多的材料，说明声波在该材料中衰减少，底波次数少，则声波衰减比较严重。另一种是理论上定量计算的表示方法，即用衰减系数来表示声波的衰减。 4.5.4 系统干扰因素

测量装置的干扰来自多方面。机械振动或冲击会对传感器产生严重的干扰;光线对测量装置中的半导体器件会产生干扰;温度的变化会导致电路参数的变动，产生干扰:以及电磁干扰等等。干扰窜入测量装置有三条主要途径，如图4-18：

电磁干扰电源干扰信道干扰单片机测量

图4-18 产生误差的途径

（1）电磁干扰

干扰以电磁波辐射的方式经空间窜入测量装置。信道干扰。信号在传播过程中，通道中各元器件产生的噪声或非线性畸变所造成的干扰。

（2）电源干扰

这是由于电源波动、市电电网干扰信号的窜入以及装置供电电源电内阻引起各单元电路相互祸合造成的干扰。一般情况下，电磁感应和静电感应干扰主要由发电机、电动机、大功率继电器、电台等的感应引起，其强度远小于电源接地系统和U0系统的干扰，这种干扰可采用良好的屏蔽与正确的接地、高频滤波加以抑制。因此，在微机系统中，供电系统与v0通道的干扰是问题的主要方面。

（3）供电系统干扰及其抗干扰

由于供电电网面对各种用户，电网上并联着各种各样的用电器。用电器在开关机时都会给电网带来强度不一的电压跳变。这种跳变的持续时间很短，人们称之为

ZZZ尖峰电压。它会影响测量装置的正常工作。

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