超聲波測距報警系統的設計

引言

科學家們將每秒鐘振動的次數稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們人類耳朵能聽到的聲波頻率為20～20000Hz。當聲波的振動頻率大于20KHz或小于20Hz時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。

1.超聲波測距原理

超聲波是指頻率高于20KHz 的機械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產生超聲波和接收超聲波，完成這種功能的裝置稱為超聲波傳感器。超聲波傳感器有發送器和接收器，有的也可具有發送和接收聲波的雙重作用。根據超聲波的產生方式，超聲波傳感器可分為兩大類：一類是電氣式，如壓電式、磁致伸縮式和電動式等；一類是機械式，如加爾統笛、液哨等。目前常用的是壓電式超聲波傳感器。它利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化，即發射超聲波時，將電能轉換為超聲波發射出去；在收到回波時，將超聲振動轉換成電信號。

超聲波測距的原理一般采用時間差法，即測出超聲波從發射到遇到障礙物返回所經歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即：

式中，D—傳感器與障礙物之間的距離；c—聲波在介質中的傳輸速度。

由于超聲波易于定向發射、方向性好、強度易控制、與被測物體不需直接接觸，故超聲波傳感器廣泛地應用于液體高度測量、汽車倒車等方面。為了提高測量精度，減小誤差，根據公式（1）可知，測距誤差由傳播速度誤差和傳播時間誤差引起。

當傳播速度準確時，傳播時間差值精度只要達到微秒級，就可保證測距誤差小于1mm。設計中，可采用12MHz 晶體作時鐘的基準，單片機定時器的計數精度可達1us，從而保證測量精度。

傳播速度受空氣密度的影響，空氣密度越高，傳播速度越快，而空氣密度與溫度有密切關系。在理想氣體中聲波的傳播速度c 為：

式中，γ—氣體定壓比熱容與定容比熱容之比；R—氣體常數；M—氣體分子量；T—絕對溫度。

若溫度變化不大，則可認為聲速基本不變，其值為340m/s。若測距精度要求較高，為減小溫度變化對聲速產生的影響，在設計中，應增加溫度傳感器來監測環境溫度，進行實時溫度補償，近似公式為：

式中，c0—零度時的聲波速度332m/s； T—實際溫度（℃）。

2.測距報警系統設計

2.1 硬件設計

電路原理圖如圖1 所示。采用PIC16F73 單片機作為主控制器，實現對CX20106 紅外接收芯片（紅外常用的載波頻率38KHz 與測距超聲波頻率40KHz 較為接近） 和TCT40 系列超聲波轉換模塊的控制。單片機通過端口RB1 控制超聲波的發送，然后單片機不停地檢測中斷端口RB0/INT，當端口RB0/INT 的電平由高電平變為低電平時，系統認為超聲波已返回。計數器所計數據即為超聲波所經歷的時間，通過換算可得到傳感器與障礙物之間的距離。超聲信號的驅動由單片機定時器完成，LED 數字顯示采用動靜態驅動相結合的方法實現，報警模塊采用簡單的聲光報警電路。

圖1 測距報警系統電路原理圖