超声波测距电路设计

超声波测距电路的实现方法

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摘要：随着单片机、DSP、FPGA、CPLD技术的不断成熟，各种智能测量系统不断涌现，测距电路可以用在工业生产、医疗技术、日常生活中各个方面，典型的应用如汽车倒车告警、机器人的自动避障行走、工业上的液位、井深、管道长度等场合，本文在介绍超声波测距原理的基础上总结并讨论现有的几种电路设计方法，并提出增大测量距离及改善系统性能的实现方法。

关键词：超声波；测距；FPGA实现

1超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它是由与介质相接触的振荡源所引起的, 其频率在20KHz以上。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性,由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点,常用于测量物体的距离、厚度、液位等。超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关,它在空气中的传播速度为340m/s。发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,其所经历的时间长短与超声波传播的路程的远近有关,测试传输时间可以得出距长。利用超声波特性、单片机控制、电子计数相结合可以实现非接触式测距。由于超声波检测迅速、方便、计算简单,且不受光线、电磁波、粉尘等的干扰,其测量精度较高。常用于桥梁、涵洞、隧道的距离检测中。

2使用超声波和使用激光测距的比较：基于以上介绍的超声波的特点不难区分它们的各自的适用场合，激光测距主要用于远程，如测月球到地球距离，或远距离无障碍测距，而且成本要比用超声波大，因为光速为3×10^8M/S，而一般市场上的单片机最高频率在十几至几十兆，（本人接触的ARM最大30M）如果测量的距离在十米左右，那么假设单片机别的都不做只是计数，出射光将在大约0.033us后返回，要求单片机CLK为1/0.033MHz，也就是说30M时钟频率的单片机刚发出出射激光的命令，光就已经在它的下个CLK脉冲来到了，更别提计数了，即使使用频率很高的单片机或其他器件如FPGA等在精度上将不能满足需要（通常在收发间隔中得到的计数脉冲越多精度越高）。但值得注意的是,超声波在空气中传播速度会随介质温度的升高而增大,气温每上升1 ℃,声波速度增加0. 6mPs。所以在测量中要考虑温度变化的因素,进行温度补偿修正,减少测量误差。另外超声波在传输距离稍大时衰减很大，精度也随之降低。

3超声波发生/接收器：为了研究和利用超声波,人们研究了多种超声波发生器,常用的超声波发生器可以分为二大类,一是用电气方式产生超声波,如压电式、磁致伸缩式超声波发生器;二是用机械方式产生超声波,有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同。这里采用第一类的压电式超声波发生器,是利用压电晶体的电致伸缩现象,即压电效应。常用的压电材料有石英晶体、压电陶瓷等。在压电材料切片上施加一定频率的交变电压,当外加信号频率等于压电晶片的固有频率时,会产生电致伸缩振动,产生共振,并带动共振板振动,产生超声波。超声波的频率越高,方向性越好,但频率太高,衰减也大,传播的距离越短。考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率f = 40kHz ,波长λ = 0. 85cm。超声波的接收是利用超声波发生器的逆效应(逆压电效应) 而进行工作的。当一定频率的超声波作用到压电晶体片上时,使晶体伸缩,在晶体的两端面产生交变电荷,把电荷转换成电压, 再经放大输出,它的结构与发生器类似。发送和接收可以由一个超声换能器承担，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能(机械能)转换为电能。超声波发生/接收器的外形和通常的驻极体话筒差不

多，如果发生接收是分开的两个在安装过程中要注意它们之间的距离大概在6—8CM否则过于靠近易产生干扰。（可采用MA40LIS和MA40LIR）

4超声测距原理：最常用的超声测距方法是回声探测法。其工作原理是：使换能器向介质发射声脉冲，声波遇到被测物体(目标)后必有反射回来的声波(回波)作用于换能器上。若已知介质的声速为c，第一个回波到达的时刻与发射脉冲时刻的时间差为t，那么即可按式

s=ct／2计算换能器与目标之间的距离。考虑到传感器的成本与安装的方便性，也可采用收发兼用型超声波探头，即实际距离d=s。声波的速度c与温度T有关。如果环境温度变化显著,

则必须考虑温度补偿问题。

5系统设计：

其中计时及LED译码、测温A/D转换等都可以由单片机的集成外围实现（LED驱动可采用动态扫描，要加三极管放大电流），因为在这里单片机在整个系统中的作用相对简单，所以如果考虑成本的话也可以不用单片机而改用一个十四位左右的计数器实现，如CD4060等，这样LED显示要配译码电路，A/D转换也要另加，而且制作好后可调试性较差，没有单片机灵活。另外单片机如果改为FPGA则整个系统的频率又可提升很多，不过成本要高一些。

6单元电路实现：（1）接收放大电路

如上图，采用两级放大，并采用“虚地”接法使运放正负极电流同时放大，是常用接法。

（2）检波电路，采用的是包络检波。

本人用EWB5.0模拟后数据如下：

输出波形满足要求。

（3）整形电路：把运放接成比较器，工作在饱和方式。

其中Rb最好选择可变电阻，保证当要调整电路可测范围时比较电平可调，参考电平计算如下。

Vrf= ( Rb x Vcc )/( Ra + Rb )

= ( 47K-ohm x 9V )/( 1M-ohm + 47K-ohm )

=0.4V

（4）信号保持：采用RS触发器接法，也可用D触发器。

（5）超声波发射驱动：这里采用CD4069（反相/驱动）来提高驱动的功率以使超声波发射信号足够大提高测量距离。另外采用推拉式驱动也可以提高发射信号质量。

（6）显示驱动电路：充分利用单片机资源用来译码，驱动用三极管，采用动态扫描一方面充分利用单片机资源，另一方面可以减少功耗，还可以节省硬件资源。

（7）超声波测距系统的软件设计，由于超声发射传感器与超声接收传感器相隔很近，当发射超声波时，接收传感器会收到很强的干扰信号。为防止系统的误测，在软件上采用延迟接收技术，来提高系统的抗干扰能力。一旦按下起始键，即发送发射超声波的指令，同时单片机控制系统开始执行程序，完成对温度的采样、滤波，然后获得发送、接收超声波的时间间隔，最后计算出距离值。

7 误差分析

（1）环境对测量的影响：

声波传输速度与媒介的弹性模量和密度相关,因此,利用声速测量距离,就要考虑这些因素对声速影响。在气体中,压强、温度、湿度等因素会引起密度变化,气体中声速主要受密度影响,液体的深度、温度等因素会引起密度变化,固体中弹性模量对声速影响较密度影响更大,一般超声波在固体中传播速度最快,液体次之,在气体中的传播速度最慢。气体中声速受温度的影响最大。声波扰动是机械的,声波在传播中带有机械能量,声能传播的途中逐渐转变成热,从而出现随距离而逐渐衰减的现象,称为声吸收。声波的频率越高衰减得越厉害,传播距离也越短,在给定的频率下,衰减是湿度的函数。

（2）超声发送和接收：

超声传感器等效为1 个电感器、2 个电容器和1 个电阻器串并联电路如图所示。

图中,左右两侧呈现容性,中间呈现感性,是一种典型高Q 值晶体振子特性。在fS 和f P 处出现2 个阻抗最低点,因此,有2 个谐振峰。发送传感器在串联谐振峰有最高灵敏度,接收传感器在并联谐振峰有最高灵敏度。电路激励和接收频率要考虑在此谐振点工作,此外,由于通常需要大功率驱动,可考虑用谐振升压推动。超声波发送应考虑因素有: 1，量程范围;2，目标距离和目标反射情况。超声波频率高对探测较小目标有利,有效反射目标应大于至少

10 个波长以上, 对于非垂直于发射波束的目标,大波束角的传感器通常可以获得更强的回波信号,而波束角越窄对于减小散射波的干扰越有利。

（3）回波测量的计时准确度：

在室温下,空气中的声速是345 m/ s ,考虑反射式测量有2 倍路程,采用1 MHz 的计数频率测时,对应最小分辨力为0.172mm。这种分辨力可以满足大多数工业测量场合。

（4）回波信号放大与整形：

接收传感器的感应信号通常是mV 级,需要经过上百近千倍的增益放大,然后再整形。采用调谐放大器比直接放大器虽然复杂,但可以获得更高的信噪比。由于声波在传输过程中的吸收衰减和扩散损失,声强随目标距离增大而衰减,在量程范围内,最近目标和最远目标的回波幅度可能相差1 个数量级。远目标回波信号幅度小、信噪比低,可能导致整形失败或者是越过门槛的时刻前后移动,这是影响大多数测距装置重复性和测量准确度的一个原因。以40 kHz 声波频率为例,采用1 MHz 计数频率,若越过门槛的时刻前后移动仅仅2 个周期,就会产生50μs 误差,相应测距误差为0. 172 0 mm ×50 = 8. 6mm。可考虑放大器采用AGC 自动增益控制,但仍然未能解决问题,因为AGC 电路(包括放大器本身)对信号的阶跃响应有滞后,瞬时跟踪性不佳,而回波信号恰恰是爆发性的。由此不应该对近程的强回波信号和远程的弱回波信号采用同一个门槛电压,恒定的门槛阈值相对强信号偏低,本可以被压制的噪声信号不能压制。而对弱信号而言,相对又太高,更容易被叠加的噪声信号误触发。可采用的方法是专门产生一个随时间减小的阈值信号。

8 系统性能改善和增大测量距离讨论：

硬件：

（1）接收放大电路，可加入带通滤波或锁相放大（LM567）以尽可能减少干扰信号引起误触发，另外为防止发射信号直接进入接收端所以设置一定的延时。锁相应用

电路，调整在40KHZ上，但要考虑加入后对接收处理的延时，用软件调整。

另一方面可采用自动增益补偿技术,随着时间的增加, AGC的放大倍数呈指数规律变化,从而保证了超声波接收器波形的幅值不随测量距离的变化而大幅变化,使得每次在同一个波头触发计时电路,提高了系统测量准确度。电路可以采用如下图所示或者采用单片AD603实现，在这里不具体讨论。

（2）发射驱动电路，为放大驱动脉冲可以再加入一级三极管放大电路，三极管要选用高频的如9018以减少放大后波形的失真；另一方面还可以根据超声波发生器的特点合理设计阻抗匹配，功放效率和机电转换效率；为此可采用脉冲变压器，脉冲变压器是超声换能器驱动电路中最重要的器件，它的用途是升高脉冲电压信号，并使功率放大器的输出阻抗与换能器的负载阻抗匹配。一般脉冲变压器以变压器的功率、原副边电压信号的幅值确定变压器的尺寸和变比；而超声换能器驱动用变压器则主要以功率和原副边电感及阻抗匹配确定变压器的尺寸和变比。缺点是制作和测量都比较麻烦。在大量程应用场合还可以应用电容瞬间放电或电感瞬间放电产生高压激励脉冲。

（3）其它可改善的地方，可采用超声波测距专用芯片SB5027；也可以采用LM1812N单片超声波收发集成电路。

另外可以采用时间放大技术提供测量精度，主要考虑单片机时钟脉宽对测量精度的影响，因为根据前面讨论的超声波的速度340M/S，当单片机频率较低时对测量精度的影响较大，不仅记数脉冲变少，而且回波到达时间点在一个时钟周期中的位置将不确定，时差检测采用的方法是对普通的晶体振荡器分频后作为计数器的时钟，探头发射超声波以后再开始计数。当收到回波时比较器翻转时停止计数，对于剩余的不到一个时钟周期的时间计量，可通过时间放大技术，然后经过A/D 转换变为数字信号实现。其克服了测量精度受时钟频率限制，测时误差比较大的缺点，将数字法测时误差减小到原来的1/K ，即将超声波测距的测量精度提高了K 倍。基于电容充、放电的时间放大技术成本低、难度小，用较低的时钟频率可将测量精度提高1～2个数量级，与直接计数测量法相结合，可用于中、远距离测量。

软件：

（1）由于单片机处理速度快，所以可以采用测量多次取平均值的方法进一步减小误差，另外考虑到在测量的距离超过一定限度后误差会变大，可以在大于一定距离后采用软件修正，补偿实际测的数据，当然这要在调试中收集大量的实际测试数据后在单片机中设置，如果在5M后的数据实行软件修正，则5M—10M的数据占用1K左右的字节（每个数据占两个字节，无符号整数500—1000，单位为厘米），一般的单片机都能胜任。软件算法可采用查表，如果要加快数据处理速度还可以在单片机外围加上RAM存储修正数据，要减少数据量的话可以用曲线拟和或最小平方逼近。这些在增大测量距离和提高测量精度的应用上都有实际意义。

9 参考文献：1，基于单片机的超声波测距系统的设计高飞燕

2，www.interq.or.japan

3，自动增益电路在超声波测距系统中的应用研究曾祥进, 王敏, 黄心汉

4，利用时间放大技术提高超声波测距精度李明，吴胜强

5，超声波测距误差分析苏炜,龚壁建,潘笑