0 引言
超聲波是一種在彈性介質中的機械震蕩，它是由與介質相接觸的震蕩源所引起的，其頻率在20kHz以上。由于超聲波的速度相對于光速要小得多，其傳播時間就比較容易檢測，并且易于定向發射，方向性好，強度好控制，因而利用超聲波測距在很多距離探測應用中有很重要的用途，包括無損檢測、過程測量、機器人測量和定位，以及流體液面高度測量等。利用單片機控制超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現，并且測量精度高。

1 系統設計
超聲波測距的最遠距離和分辨能力，不僅需要良好的換能器，也需要合理的驅動電路及回波探測電路。對發射而言，為了使電能到機械能的轉換效益最大，換能器必須工作在它的共振頻率處。對接收電路而言，為了使機械能到電能的轉換效率最大，最佳工作點必須取在反共振頻率處，在傳感器系統中，發射部分的共振頻率要與接收部分的反共振頻率相匹配。同時，溫度對聲速有著較大的影響，溫度補償無疑是減少誤差的很好方法。本設計選用T40-16T／R超聲波傳感器，設計了一種以AT89C2051單片機為核心的低成本、高精度、微型化數字顯示超聲波測距儀。為了進一步提高系統測量精度和系統穩定性，在硬件上增加了溫度傳感器測溫電路，采取聲速預置和媒質溫度測量相結合的辦法對聲速進行修正，降低了溫度變化對測距精度的影響。有力提高了超聲波測距系統的測量精度。
設計系統由單片機主控模塊、顯示模塊、超聲波發射模塊、接收模塊、溫度測量補償模塊等五個模塊組成，組成框圖如圖1所示。

超聲波發射電路由單片機輸出端直接驅動超聲波發送，超聲波接收電路輸出端與單片機相連接，單片機的輸出端與顯示電路輸入端相連接。單片機在TO時刻發射方波，同時啟動定時器開始計時，當收到回波后，產生一負跳變到單片機中斷口，單片機響應中斷程序，定時器停止計數。計算時間差即可得到超聲波在媒介中傳播的時間t，由此便可計算出距離。
2．1 超聲波測距單片機控制系統
單片機AT89C2051采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機P3．5端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，P3．6端口監測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的3位共陽LED數碼管，段碼輸出端口為單片機的P1口，位碼輸出端口分別為單片機的P3．2、P3．1、P3．0口，數碼管位驅運用PNP三極管S9012三極管驅動。而溫度測量采用簡單的DS18B20溫度傳感器，測量結果送入P3．4口，利用公式算出聲速。

2．2 超聲波發射、接收電路
超聲波發射、接收電路如圖2所示。超聲波發射電路由電阻R2及超聲波發送頭T40組成；接收電路由BG1、BG2X組成的兩組三級管放大電路組成；檢波電路、比較整形電路由C7、D1、D2及BG3組成。

40kHz的方波由AT89C2051單片機的P3．5驅動超聲波發射頭發射超聲波，經反射后由超聲波接收頭接收到40kHz的正弦波，由于聲波在空氣中傳播時衰減，所以接收到的波形幅值較低，經接收電路放大、整形，最后輸出一負跳變，輸入單片機的P3．7腳。由于單片機系統的晶振為12M晶振，所以只能產生半周期為12μs或13μs的方波信號，頻率分別為41．67kHz和38．46kHz。本系統在編程時選用了后者。接收到的信號加到BG1、BG2組成的兩級放大器上進行放大。每級放大器的放大倍數為70倍。放大的信號通過檢波電路得到解調后的信號。這里使用的是IN4148檢波二極管，輸出的直流信號即兩二極管之間電容電壓。該接收電路結構簡單，性能較好，制作難度小。
2．3 溫度測量補償電路
在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是334m／s，但其傳播速度受空氣中溫度、濕度等因素的影響，其中受溫度影響較大，如溫度每升高1℃，聲速就會增加約0．6m／s。因此在相同的間隔測量距離，由于波的傳播時間是相同的，不同溫度下的聲速不同，所以最終造成測量出來的距離不相等，在距離測量精度要求很高的情況下，必須要對溫度進行測量和補償，以避免溫度對測量精度的影響。本系統選用DS18B20溫度傳感器作為溫度測量、誤差補償裝置，與單片機交換信息僅需要一根I／O口線，其供電電源可來源于單片機I／O口數據線，而無需額外電源。不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關系如下：
v=331．4+0．61T (1)
式中，T為實際溫度(℃)，v為當前環境下聲速，單位為m／s。

3 系統軟件設計
軟件設計部分采用模塊化設計，由主程序、發射子程序、接收子程序、中斷子程序、溫度測量等組成。超聲波測距的程序既有較復雜的計算(計算距離時)，又要求精細計算程序運行時間(超聲波測距時)，所以控制程序采用C語言編程。主程序完成初始化工作、超聲波發射和接收順序的控制、距離上下限超限報警。定時中斷服務子程序完成超聲波回波接收，外部中斷服務子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結果的輸出等工作。

  主程序首先是對系統環境初始化，設定時器0為計數，設定時器1定時。置位總中斷允許位EA。進行主程序后，進行定時測距判斷，當測距標志位c1=1，即進行測量一次，程序設計中，超聲波測距頻度是2次／秒。測距間隔中，整個程序主要進行循環顯示測量結果。當調用超聲波測距子程序后，首先由單片機產生6～8個頻率為38．46kHz超聲波脈沖，加載至超聲波發送頭上。超聲波頭發送完超聲波后，立即啟動內部計時器T0進行計時，為了避免超聲波從發射頭直接傳送到接收頭引起的直射波觸發，這時，單片機需要延時約1．5～2ms時間(這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因，稱之為盲區值)后，才啟動對單片機P3．7腳的電平判斷程序。當檢測到P3．7腳的電平由高轉為低電平時，立即停止T0計時。
當停止計時時，立刻啟動測溫程序，通過對溫度的讀取，算得此時聲速。由于采用單片機采用的是12MHz的晶振，計時器每計一個數就是1μs，當超聲波測距子程序檢測到接收成功的標志位后，將計數器T0中的數(即超聲波來回所用的時間)計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離。測出距離后結果將以十進制BCD碼方式送往LED顯示約0．5s，然后再發超聲波脈沖重復測量過程。我們知道，溫度對聲速的影響是很大的，因而應該先測量溫度，再計算出此溫度下的聲速。

4 調試及數據分析
系統組裝調試時先焊接各個模塊，再進行模塊的單獨測試，原件安裝完畢后，將寫好程序的AT89C2051機裝到測距板上，通電后將測距板的超聲波頭對著墻面往復移動，觀察數碼管在測量范圍內能否正常顯示。超聲波發送功率較大時，測量距離遠，則相應的下限值(盲區)應設置為較高值。
系統測距實驗時在不同的實測溫度下，整個系統在11個特定的距離都測量7次，共計77次測量。每組7個數據，去掉一個最大值和最小值，再求其平均值，用來作為最終的測量數據。

由圖4可見，不同的實測溫度下，在30～300cm范圍內測量線和實際線幾乎完全重合，此時測量的精確度最高。所以本設計系統的可測距離為28～400cm，但是最佳測量距離為30～250cm。

5 結論
本設計完成的測距系統進行了有效的溫度補償，測量精度可達0．01m，而且測量結果清晰穩定，響應時間短，0．5s刷新一次數據，測量的實時性和連續性好。本系統可在做細微調整、改進后用于多個應用領域，比如簡單的移動機器人、汽車防碰撞等。