超聲波作為一種特殊的聲波，由于其指向性強(qiáng)，在空氣中傳播速度相比光速要小很多，其傳播時(shí)間容易檢測(cè)，因此，目前超聲波測(cè)距中廣泛采用回波-渡越時(shí)間方法[1]，即檢測(cè)從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收器的時(shí)間即為渡越時(shí)間。渡越時(shí)間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。該測(cè)試方法對(duì)于超聲波探頭的要求相對(duì)比較高，不適合做長(zhǎng)距離測(cè)量。本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀主要用于長(zhǎng)度超過10 m的遠(yuǎn)距離測(cè)量，而且要求可靠性高、穩(wěn)定性好。故本文采用紅外與超聲波相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案以實(shí)現(xiàn)這一功能。

1 超聲波的測(cè)距原理

超聲波發(fā)生器內(nèi)有一個(gè)共振板和兩個(gè)壓電晶片，當(dāng)它的外加脈沖信號(hào)頻率等于壓電晶片的固有頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)產(chǎn)生共振，并帶動(dòng)共振板一起振動(dòng)，這樣就產(chǎn)生了超聲波[2]。在電路中， 本文采用紅外結(jié)合超聲波的方式來實(shí)現(xiàn)測(cè)距主要是利用紅外傳輸?shù)目焖傩?、及時(shí)性的特點(diǎn)，使用對(duì)板發(fā)射、接收來實(shí)現(xiàn)測(cè)距，以解決利用反射原理實(shí)現(xiàn)的超聲波要經(jīng)過反射而損耗大量能量導(dǎo)致測(cè)量距離比較短的問題。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先，設(shè)定兩塊板為主從板，主板先發(fā)射，從板處于接收狀態(tài)。主板發(fā)射完畢后切換模式為接收狀態(tài)，從板相反。由于紅外的傳輸速度為光速，可以認(rèn)為是無窮大，從板一捕獲到紅外信號(hào)即可開啟計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，等再次捕獲到超聲波信號(hào)時(shí)，停止計(jì)數(shù)。其間的時(shí)間差，即為超聲波的傳輸時(shí)間T，則計(jì)算的距離S=V×T。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射、接收波的放大、數(shù)據(jù)處理和顯示4個(gè)部分。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。


2.1 紅外和超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中， 40 kHz的超聲波信號(hào)是最理想的信號(hào)，而紅外的最佳頻率為38 kHz。其硬件組成電路如圖2所示。在超聲波發(fā)射電路中，由R4、C9和D1構(gòu)成D-R-C吸收電路來保證三極管Q1能夠穩(wěn)定可靠地工作，而不會(huì)損壞。紅外的38 kHz和超聲波的40 kHz頻率的方波由STM8單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生。圖3為超聲波電路中L2和超聲波探頭P1以及C10共振的波形圖，衰減了10倍。圖4為紅外發(fā)射波形圖。


2.2 紅外和超聲波接收電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中紅外接收電路主要由HS0038B紅外接收管和R32、C23和R33構(gòu)成，取得的紅外信號(hào)IRR直接輸入STM8單片機(jī)的捕獲功能引腳作為計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)信號(hào)，紅外接收電路如圖5所示。紅外信號(hào)接收管HS0038B接收到紅外信號(hào)輸入STM8單片機(jī)的捕獲中斷引腳后經(jīng)過濾波處理和判定為有效值時(shí)，即開啟計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)。

超聲波接收電路主要由接收頭、三級(jí)三極管放大電路和包絡(luò)檢波電路、濾波電路等組成，其電路如圖6所示。當(dāng)接收到超聲波信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器立即停止計(jì)數(shù)以計(jì)算出時(shí)間差T。

圖7為超聲波接收端波形放大及經(jīng)典的二極管檢波電路之后輸出的超聲波接收端信號(hào)波形，其通過比較器輸入到STM8單片機(jī)的另一個(gè)捕獲引腳來控制定時(shí)器的停止。


2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM8單片機(jī)控制器主要完成紅外和超聲波的中斷響應(yīng)、發(fā)射定時(shí)以及產(chǎn)生38 kHz和40 kHz的方波來驅(qū)動(dòng)各自的三極管以及紅外與超聲波接收信號(hào)的濾波、數(shù)據(jù)處理、距離計(jì)算和實(shí)測(cè)距離的顯示。系統(tǒng)程序流程如圖8所示。

本紅外-超聲波系統(tǒng)主要應(yīng)用在工業(yè)梁上的運(yùn)動(dòng)吊車上。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用證明，該系統(tǒng)測(cè)量距離可滿足大于10 m的要求，克服了反射式超聲波測(cè)距儀測(cè)量距離只能達(dá)到5 m左右的問題，同時(shí)消除了反射式超聲波測(cè)距儀存在的測(cè)量盲區(qū)，測(cè)量精度小于1 cm，可靠性高，超過了實(shí)際的應(yīng)用要求。初步可以滿足產(chǎn)業(yè)化的需要，經(jīng)改進(jìn)可升級(jí)成智能化的超聲波測(cè)距儀。