超聲波作為(wei) 一種特殊的聲波，由於(yu) 其指向性強，在空氣中傳(chuan) 播速度相比光速要小很多，其傳(chuan) 播時間容易檢測，因此，目前超聲波測距中廣泛采用回波-渡越時間方法[1]，即檢測從(cong) 超聲波發射器發出的超聲波，經氣體(ti) 介質傳(chuan) 播到接收器的時間即為(wei) 渡越時間。渡越時間與(yu) 氣體(ti) 中的聲速相乘，就是聲波傳(chuan) 輸的距離。該測試方法對於(yu) 超聲波探頭的要求相對比較高，不適合做長距離測量。本文設計的超聲波測距儀(yi) 主要用於(yu) 長度超過10 m的遠距離測量，而且要求可靠性高、穩定性好。故本文采用紅外與(yu) 超聲波相結合的設計方案以實現這一功能。

1 超聲波的測距原理

超聲波發生器內(nei) 有一個(ge) 共振板和兩(liang) 個(ge) 壓電晶片，當它的外加脈衝(chong) 信號頻率等於(yu) 壓電晶片的固有頻率時，壓電晶片會(hui) 產(chan) 生共振，並帶動共振板一起振動，這樣就產(chan) 生了超聲波[2]。在電路中， 本文采用紅外結合超聲波的方式來實現測距主要是利用紅外傳(chuan) 輸的快速性、及時性的特點，使用對板發射、接收來實現測距，以解決(jue) 利用反射原理實現的超聲波要經過反射而損耗大量能量導致測量距離比較短的問題。在係統設計中，首先，設定兩(liang) 塊板為(wei) 主從(cong) 板，主板先發射，從(cong) 板處於(yu) 接收狀態。主板發射完畢後切換模式為(wei) 接收狀態，從(cong) 板相反。由於(yu) 紅外的傳(chuan) 輸速度為(wei) 光速，可以認為(wei) 是無窮大，從(cong) 板一捕獲到紅外信號即可開啟計數器計數，等再次捕獲到超聲波信號時，停止計數。其間的時間差，即為(wei) 超聲波的傳(chuan) 輸時間T，則計算的距離S=V×T。

2 係統軟硬件設計

係統硬件結構分為(wei) 單片機控製超聲波的發射、接收波的放大、數據處理和顯示4個(ge) 部分。其結構如圖1所示。


2.1 紅外和超聲波發射電路設計

在超聲波測距係統中， 40 kHz的超聲波信號是最理想的信號，而紅外的最佳頻率為(wei) 38 kHz。其硬件組成電路如圖2所示。在超聲波發射電路中，由R4、C9和D1構成D-R-C吸收電路來保證三極管Q1能夠穩定可靠地工作，而不會(hui) 損壞。紅外的38 kHz和超聲波的40 kHz頻率的方波由STM8單片機的定時器產(chan) 生。圖3為(wei) 超聲波電路中L2和超聲波探頭P1以及C10共振的波形圖，衰減了10倍。圖4為(wei) 紅外發射波形圖。


2.2 紅外和超聲波接收電路設計

本係統中紅外接收電路主要由HS0038B紅外接收管和R32、C23和R33構成，取得的紅外信號IRR直接輸入STM8單片機的捕獲功能引腳作為(wei) 計數器的啟動信號，紅外接收電路如圖5所示。紅外信號接收管HS0038B接收到紅外信號輸入STM8單片機的捕獲中斷引腳後經過濾波處理和判定為(wei) 有效值時，即開啟計數器開始計時。

超聲波接收電路主要由接收頭、三級三極管放大電路和包絡檢波電路、濾波電路等組成，其電路如圖6所示。當接收到超聲波信號時，計數器立即停止計數以計算出時間差T。

圖7為(wei) 超聲波接收端波形放大及經典的二極管檢波電路之後輸出的超聲波接收端信號波形，其通過比較器輸入到STM8單片機的另一個(ge) 捕獲引腳來控製定時器的停止。


2.3 係統軟件設計

STM8單片機控製器主要完成紅外和超聲波的中斷響應、發射定時以及產(chan) 生38 kHz和40 kHz的方波來驅動各自的三極管以及紅外與(yu) 超聲波接收信號的濾波、數據處理、距離計算和實測距離的顯示。係統程序流程如圖8所示。

本紅外-超聲波係統主要應用在工業(ye) 梁上的運動吊車上。經實踐應用證明，該係統測量距離可滿足大於(yu) 10 m的要求，克服了反射式超聲波測距儀(yi) 測量距離隻能達到5 m左右的問題，同時消除了反射式超聲波測距儀(yi) 存在的測量盲區，測量精度小於(yu) 1 cm，可靠性高，超過了實際的應用要求。初步可以滿足產(chan) 業(ye) 化的需要，經改進可升級成智能化的超聲波測距儀(yi) 。