基于STM8的红外与超声波结合测距仪

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超声波作为一种特殊的声波，由于其指向性强，在空气中传播速度相比光速要小很多，其传播时间容易检测，因此，目前超声波测距中广泛采用回波-渡越时间方法[1]，即检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质传播到接收器的时间即为渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。该测试方法对于超声波探头的要求相对比较高，不适合做长距离测量。本文设计的超声波测距仪主要用于长度超过10 m的远距离测量，而且要求可靠性高、稳定性好。故本文采用红外与超声波相结合的设计方案以实现这一功能。

1 超声波的测距原理

超声波发生器内有一个共振板和两个压电晶片，当它的外加脉冲信号频率等于压电晶片的固有频率时，压电晶片会产生共振，并带动共振板一起振动，这样就产生了超声波[2]。在电路中， 本文采用红外结合超声波的方式来实现测距主要是利用红外传输的快速性、及时性的特点，使用对板发射、接收来实现测距，以解决利用反射原理实现的超声波要经过反射而损耗大量能量导致测量距离比较短的问题。在系统设计中，首先，设定两块板为主从板，主板先发射，从板处于接收状态。主板发射完毕后切换模式为接收状态，从板相反。由于红外的传输速度为光速，可以认为是无穷大，从板一捕获到红外信号即可开启计数器计数，等再次捕获到超声波信号时，停止计数。其间的时间差，即为超声波的传输时间T，则计算的距离S=V×T。

2 系统软硬件设计

系统硬件结构分为单片机控制超声波的发射、接收波的放大、数据处理和显示4个部分。其结构如图1所示。


2.1 红外和超声波发射电路设计
在超声波测距系统中， 40 kHz的超声波信号是最理想的信号，而红外的最佳频率为38 kHz。其硬件组成电路如图2所示。在超声波发射电路中，由R4、C9和D1构成D-R-C吸收电路来保证三极管Q1能够稳定可靠地工作，而不会损坏。红外的38 kHz和超声波的40 kHz频率的方波由STM8单片机的定时器产生。图3为超声波电路中L2和超声波探头P1以及C10共振的波形图，衰减了10倍。图4为红外发射波形图。




2.2 红外和超声波接收电路设计

本系统中红外接收电路主要由HS0038B红外接收管和R32、C23和R33构成，取得的红外信号IRR直接输入STM8单片机的捕获功能引脚作为计数器的启动信号，红外接收电路如图5所示。红外信号接收管HS0038B接收到红外信号输入STM8单片机的捕获中断引脚后经过滤波处理和判定为有效值时，即开启计数器开始计时。


超声波接收电路主要由接收头、三级三极管放大电路和包络检波电路、滤波电路等组成，其电路如图6所示。当接收到超声波信号时，计数器立即停止计数以计算出时间差T。

图7为超声波接收端波形放大及经典的二极管检波电路之后输出的超声波接收端信号波形，其通过比较器输入到STM8单片机的另一个捕获引脚来控制定时器的停止。


2.3 系统软件设计

STM8单片机控制器主要完成红外和超声波的中断响应、发射定时以及产生38 kHz和40 kHz的方波来驱动各自的三极管以及红外与超声波接收信号的滤波、数据处理、距离计算和实测距离的显示。系统程序流程如图8所示。

本红外-超声波系统主要应用在工业梁上的运动吊车上。经实践应用证明，该系统测量距离可满足大于10 m的要求，克服了反射式超声波测距仪测量距离只能达到5 m左右的问题，同时消除了反射式超声波测距仪存在的测量盲区，测量精度小于1 cm，可靠性高，超过了实际的应用要求。初步可以满足产业化的需要，经改进可升级成智能化的超声波测距仪。