基于串行通讯的分布式超声波测距仪设计

摘 要 超声测距有不受光线影响、结构简单、成本低、信息处理简单可靠等优点，对于被测物处于黑暗、有毒、烟雾等恶劣环境中有一定的适应能力，因此可以广泛应用。脉冲产生电路产生的40KHz的脉冲信号经驱动电路驱动功率后进入超声波发射器，让其发出超声波。超声波接收器接受到发射器发出的超声波信号后经信号放大、处理比较后进入单片机微控制器，单片机将进行计算分析后在数码管显示模块显示出当前测量距离值。文中介绍了超声测距各模块功能的基础上，提出了系统的总体构成并对测距系统发射、接收、检测、显示部分的硬件设计方案进行了论证。该系统硬件结构简单工作可靠，有良好的测量精度和灵敏度。

关键词 超声测距 换能器 数码管显示

中图分类号：TP23 文献标识码：A

1相关研究的内容

我们设计一个超声波测距器，如果足够理想的话，将可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度测量、治疗、机器人定位和安全防范等等。

超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。假如是近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。其中超声波发射和接受采用分离设计，即单独采用发射器和接收器，而不是采用一体化器件，以降低调试的复杂性，提高系统安装的灵活性。

其测距实现方式为：在超声波发送后，通过空气介质传播到被测面，由被测面反射回来，超声波接收器将接收从发射器两端毫伏级发出的10个脉冲串，则可以得到声波传输的距离，其关系式为L=Ct/2。这样的原理就是所谓的渡越时间法TOF（time-off-light），即先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。

2超声波测距解析

简单描述为：超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波并将其转化为电信号，立即停止计时。 假设超声波在空气中的传播速度为C，根据计时器记录的时间△t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（S），即：

S=C△t/2 （2-1）

其中C在0℃是331m/s，25℃是347m/s，其于环境温度T的关系式如式（2-2）。

C=331.4+0.61*T （2-2）

有上所述，声速和温度有着密切的关系。所以在实际应用中，如果温度变化不大，并且无特殊精度要求，可认为声速是基本不变的。否则，必须进行温度补偿。

3主要组成

3.1超声波发射电路

压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。它有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波。

发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号经过电路的推挽结构后，加到超声波换能器的两端，可提高超声波的发射强度。电路是采用三级正反馈放大，形成自激振荡。自激振荡产生大约40K左右的频率，超声波便是这样产生的。

3.2超声波发射电路

采用一种家电中广泛运用的红外遥控接收集成芯片CX20106A，也称红外预放器，它主要用于对接收波形的检测和整形。由于它的载波频率38K与40K的超声波接近，所以采用它来做接收回路能较好的收到返回的超声波。适当更改电容C的大小，可以改变接收电路的各种性能。红外预放器具有很好的灵敏度和抗干扰有助于提高器件的灵敏度和抗干扰能力。

3.3LED数码管显示电路

对于多个共阳极LED八段数码管的驱动：所有LED八段数码管的8个二极管的阴极对应并联、依次接到单片机8个引脚上，称之为段控制，每位LED数码管的阳极使用三极管控制是否加载5V电源——称之为位控制。如果单片机P0口全输出0，而P2口中只有P2.0为0，则只有最下面的一个数码管所有的LED全点亮显示8。

3.4驱动电路

LED显示电路就像单片机系统的眼睛，实时地向人们传递着系统工作的各种状态信 息 和 处 理 结 果 。因 此 ，高 效 、方 便的LED显示驱动电路是构成完善的单片机系统必不可少的元素。常用的LED显示驱动电路有并行译码方式、串行—并行转换方式、显示驱动接口芯片方式等。

3.5串口通讯连接部分

主要核心部分是RS-23通信接口电路。整个通讯过程是：由下位机测取距离相关数据之后，通过MAX232芯片把TTL信号转化成RS232方波电平信号，经过串口发送数据到上位机，再进行十六进制数值到显示字符的字形代码的转化，最后的上位机的数码管上显示。

4存在的缺陷问题

采用超声波测距很优越，但也存在着美中的不足：空气温度与湿度影响、接收回波时间延时问题、测量盲区、气流和杂波干扰等等。

在它们中间我们有必要首先考虑在不同温度是声波的速度变化，还有一个不容忽视的问题是接收回波延时时间。

参考文献

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