引言

　　在工程實踐中，超聲波由于指向性強、能量消耗緩慢且在介質中傳播的距離較遠，因而經常用于距離的測量。它主要應用于倒車雷達、測距儀、物位測量儀、移動機器人的研制、建筑施工工地以及一些工業現場等，例如：距離、液位、井深、管道長度、流速等場合。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便，且計算簡單、易于做到實時控制，在測量精度方面也能達到工業實用的要求，因此得到了廣泛的應用。

　　超聲波測距的基本原理

　　超聲波發生器在某一時刻發出超聲波信號，遇到被測物體后反射回來，被超聲波接收器接收到。只要計算出超聲波信號從發射到接收到回波信號的時間，知道在介質中的傳播速度，就可以計算出距被測物體的距離：

　　ｄ＝ｓ／２＝（ｖｔ）／２　（１）

　　其中ｄ為被測物到測距儀之間的距離，ｓ為超聲波往返通過的路程，ｖ為超聲波在介質中的傳播速度，ｔ為超聲波從發射到接收所用的時間。為了提高精度，需要考慮不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關系：

　　ｖ＝３３１．４＋０．６１ｔ　（２）

　　式中，ｔ為實際溫度（℃），ｖ的單位為ｍ／ｓ。

　　壓電式超聲波傳感器的原理

　　目前，超聲波傳感器大致可以分為兩類：一類是用電氣方式產生的超聲波，一類是用機械方式產生的超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。在工程中，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。

　　壓電式超聲波傳感器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。壓電式超聲波發生器的內部有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時即為超聲波接收器。

　　反射式超聲波測距儀的硬件電路設計

　　本系統硬件電路由單片機最小系統、溫度補償電路、超聲波發射電路、超聲波接收電路、顯示電路構成，如圖１所示。

　　本超聲波測距儀的具體工作過程如下，在單片機產生復位信號后，由ｍｃ９ｓ１２ｄｇ１２８ｂ產生一個控制信號，控制外圍電路產生４０ｋｈｚ的超聲波，經整形放大后加到超聲波換能器發射出頻率為４０ｋｈｚ的超聲波。同時，計數ｍｃ９ｓ１２ｄｇ１２８ｂ內部的定時器，測量超聲波信號從發出到接收所花的時間，并把經超聲波換能器ｒ接收到的超聲波信號放大、濾波、整形，并作為接收信號來啟動定時器的輸入捕捉功能，完成一次超聲波測距的時間操作。同時，由溫度傳感器ｄｓ１８ｂ２０測得當前的環境溫度，讀入單片機，然后經其處理，在液晶顯示屏上顯示相應的測量值以及當前溫度。

　　微控制器ｍｃ９ｓ１２ｄｇ１２８ｂ

　　ｍｃ９ｓ１２ｄｇ１２８ｂ是飛思卡爾公司推出的ｓ１２控制器中的一款１６位微控制器。其集成度高，片內資源豐富，接口模塊包括ｓｐｉ、ｓｃｉ、ｉ２ｃ、ａ／ｄ、ｐｗｍ等，在ｆｌａｓｈ存儲控制及加密方面有較強的功能。

　　ｍｃ９ｓ１２ｄｇ１２８ｂ微控制器采用增強型１６位ｓ１２　ｃｐｕ，片內總線時鐘頻率最高可達２５ｍｈｚ；片內資源包括８ｋｂ　ｒａｍ、１２８ｋｂ　ｆｌａｓｈ、２ｋｂ　ｅｅｐｒｏｍ、ｓｃｉ、ｓｐｉ及ｐｗｍ串行接口模塊；ｐｗｍ模塊可設置成４路８位或２路１６位，可寬范圍選擇時鐘頻率；它還提供２個８路１０位精度ａ／ｄ轉換器、控制器局域網ｃａｎ和增強型捕捉定時器，并支持背景調試模式（ｂｄｍ）。

　　超聲波的發射電路

　　超聲波發射電路一般由超聲波反射器ｔ、４０ｋｈｚ的超音頻振蕩器、驅動（或激勵）電路等組成，本設計利用門電路產生４０ｋｈｚ的超聲波，組成的超聲波發射電路見圖２。

　　圖中，與非門７４ｌｓ００和ｌｍ３８６組成超聲波發射電路，用７４ｌｓ００構成多諧振蕩器，通過調節２０ｋ的電位器，可產生超聲波發射的４０ｋｈｚ信號，其中ｕ３ａ為驅動器，電路振蕩頻率ｆ≈１／２．２ｒｃ，單片機的控制信號由ｕ２ａ輸入。為增大超聲波的發射頻率，本設計利用了單運放ｌｍ３８６，發射距離可達４ｍ。

　　超聲波的接收電路

　　超聲波接收電路如圖３所示。接收頭采用與發射頭配對的超聲波接收器ｒ，將超聲波調制脈沖變為交變電壓信號。為了進行信號的整形，在設計中的ｃｍｏｓ電平的６非門芯片ｃｄ４０６９，可以減少電路的復雜程度，提高電路的帶負載能力。整形后的信號由ｃ１耦合給帶有鎖定環的音頻