嵌入式超声波测距仪的设计方案

引言

　　随着电子技术的发展，测距技术越来越先进，从采用卷尺人工进行丈量，到用水准仪和三角理论进行测量计算，甚至采用激光测距等，这些测量手段因精度低、操作繁琐或成本高而不尽人意。随着超声波的应用日益广泛，超声测距在测试领域中得到应用，该类产品如进口的超声波液位计、超声波测位仪等性能虽好，但价格昂贵。目前，超声波传感器技术已广泛用于工业、国防、交通、生物医疗和家庭领域。超声波传感器技术与信息技术、集成工艺相结合，为开发智能化、高灵敏度的超声波仪器设备创造了有利条件。鉴于此，运用嵌入式单片机技术、结合CAN总线通信协议标准、设计一种嵌入式超声波测距仪具有很大的发展前景。它可以做到成本低、外围电路简单、功能齐全、能够满足一定的测量要求。

　　1　超声波传感器

　　1.1　典型结构

　　超声波传感器是利用超声波的特性而研制的传感器，超声波传感器的典型结构如图1所示。它是把成正方形的两个压电晶片（亦称双晶振子）按照相反的极性粘贴在一起，再引出两个电极。压电晶片上面有金属震动板和圆锥形振子。圆锥形振子具有很强的方向性，便于发送和接收超声波。超声波传感器采用金属或塑料外壳，其顶部有屏蔽栅。

 

　　1.2　测距原理

　　超声波具有频率较高，沿直线传播、方向性好、绕射小、穿透力强、传播速度慢（约340m/s,与声速相同）等特点。

　　超声波对固体和液体的穿透能力强，尤其对于在阳光下不透明的固体，可以穿透几十m的深度。超声波遇到杂质或分界面时会产生反射波，利用这一特性可构成超声波探伤仪或测距仪。超声波遇到移动物体时会产生多普勒效应（DopplerEffect），使接收到的频率发生变化，由此可制成多普勒测距系统。

　　超声波测距原理是超声波发射探头发出的超声波脉冲，经媒质（空气）传到物体表面，反射后通过媒质（空气）传到接收探头，测出超声脉冲从发射到接收所需的时间，根据媒质中的声速，求得从探头到物体表面之间的距离。设探头到物体表面的距离为L,超声在空气中的传播速为v,从发射到接收所需的传播时间为t,则有：L=vt/2。由此可见，被测距离L与传播时间之间具有确定的函数关系，只要能测出时间t,即可求出距离L,通过软件实现直接在显示器上显示L的值。

　　2　硬件电路设计

　　2.1　整体方案设计

　　根据所给的设计要求，即具有数字显示、键盘输入、超声波发射与接收、能通过CAN总线与上位机进行通信、异常情况自动报警等功能。可以构架出此嵌入式超声波测距仪的整体方案设计框图如图2所示。从图2中可以看出整体硬件电路设计主要包括：微处理器AT89C51部分、电源电路部分、超声波发射与接收电路部分、键盘输入部分、CAN总线通信部分、LED显示部分。现将重点介绍超声波发射、接收电路和CAN总线通信电路的具体设计。

 

　　2.2　超声波测距电路

　　超声波测距电路主要包括两个部分：超声波发射电路和超声波接收电路，具体的电路设计如图3所示。图2中上半部分就是超声波发射电路，微处理器AT89C51通过编程在端口P16产生一个40kHz的超声波信号，经过两个74LS14非门将信号驱动整形，再由三极管Q9对其进行放大，最后经过变压器T1送到超声波传感器CSB-T40,这样就可以通过超声波传感器CSB-T40发出相应的超声波信号。而图3中的下半部分就是超声波接收电路，超声波信号通过障碍物发射到超声波传感器CSB-R40后，产生一定的电信号，电信号通过集成块BX1490放大后送到了2个74LS14非门电路整形，最后进入微处理器AT89C51的P17端口。这样就完成了1次超声波测距的扫描过程，它可以通过程序来控制计数器，将计数器的数据转换为相应的时间，再用时间乘以超声波的传播速度后除以2,既可以得到障碍物与超声波传感器之间的距离。

 

2.3　CAN总线通信电路

　　考虑到现在的智能测试设备日益趋于网络化，则将CAN总线通信功能也设计进了此嵌入式超声波测距仪中，CAN总线通信电路系统主要有AT89C51微控制器、独立CAN通信控制器SJA1000、CAN总线驱动器PCA82C250及复位电路IMP708组成。CAN总线应用节点具体电路设计如下图4所示。为了提高系统的抗干扰能力，设计在SJA1000和CAN总线驱动器PCA82C250之间增加了光电隔离器6N137。当微处理器AT89C51将测距结果数据通过P0口发送到CAN总线控制器SJA1000,由SJA1000将并行数据转换为串行数据从端口TX0发出，经过光电隔离器6N137后到达CAN总线驱动器PCA82C250,最后将数据发送到CAN总线上。相反，来自CAN总线的数据也可以经过相应电路到达微处理器。这样就可以实现测距仪与上位机的通信功能。