超声波测距是一种非接触的测量方式，与红外、激光及无线电测距相比，在近距离范围内，超声波测距结构简单、成本较低，不易受光线、烟雾、电磁波的干扰，因此得到广泛应用。本文介绍了一种基于单片机高精度超声波身高测量系统。该系统由接收、发射超声波传感器、发射电路、前置差分放大电路、带通滤波电路、自动增益控制（AGC)、锁相检波电路、单片机处理电路、温度检测电路、RS232串口通信电路等组成。

　　1.概述

　　超声波身高测量系统嵌于2米的多功能体检床中，系统准确测量从超声波传感器到人头顶的距离，再由床的长度计算出人体身高。测量范围0.1m-1.0m(对应人体身高为1.1m-2.Om）。即可满足绝大多数人的身高测量需求。

　　超声波测距是通过超声波发射传感器向某一方向发射超声波)当在介质中传播碰到静止障碍物后，必有同频的反射波作用于超声波接收传感器上。这时发射点与被测物反射面之间的距离L即可用时差法计算：L=CT/2，其中，C为超声波在介质中的传播速度(m/s)，丁为从发射超声波到接收到回波的时间差(s)；L为待测距离(m)。

　　在空气中，超声波的速度并不是恒定的，当环境条件变化时，必然引起超声波波速的变化，尤其是温度的影响。常温下超声波的速度V=331.45+0.607*t，其中，t表示摄氏温度值(℃)。

　　为避免环境温度影响超声波的速度，系统中设置一温度检测电路，实时采集温度，计算时加以校正。

　　系统选用的压电式超声波传感器是利用压电晶体的谐振进行工作。压电式超声波传感器内部含有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加脉冲信号，频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。

　　反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，压迫压电晶片振动，将机械能转换为电信号，此时印作为超声波接收器。

　　2.系统结构

　　超声波测距的系统结构如下图所示。

超声波发生器产生40kHz的方波，经脉冲调制、滤波、放大后驱动发射端的超声波传感器，发出同频率的正弦波。在每个调制脉冲到来时，换能器发出12个周期的超声波，同时单片机的TO计数器定时启动。超声波被测量目标反射后由接收端的传感器转换为电信号，经放大滤波后传输给检波器o一旦检波器收到回波，即产生INTO中断，TO计数器停止计数，然后根据TO时差由超声波的声速计算出测量距离。因测量距离远近的不同，回波信号的强弱也有所差异，本文选用增益控制电路以获得幅度较为恒定的检测信号，从而减小测量误差。

　　3.电路设计

      3.1超声波发生器

      根据超声波换能器的工作特性，超声波发声器电路如下图所示，

微调可变电阻器由LM555电路产生40kHz的方波，占空比大约为50%，电源电压VCC=5V。

　　脉冲调制由单片机P1.0口控制LM555的复位（RST)引脚实现。P1.0=1时，OUT引脚输出40kHz的方波，持续12个周期。持续周期数若太少，难以正常激励超声波探头，若太多则发射波与反射波容易产生叠加干扰，增加测量的盲距范围，一般选取10～15个周期为宜。即P1.O=1的持续时间约为250μs～375μs，P1.0=0时，OUT引脚无输出信号。

　　P1．O在两个高电平之间有30ms的间隔，防止可能有较强的回波信号在床的两头挡板之间来回多次反射，形成干扰，影响正常接收。如果在脉冲发射后的10ms延时内没有检测到回波信号，则关闭单片机的INTO中断。因10ms的可测距离大约为1．75米，由于体检床的长度是2米，因此即使一个身高只有O．4米的人都应该收到回波，没有收到信号表明床上没有被体检者或此次测量失败，等待下一次测量。脉冲调制和中断时序如下图所示。

　　实现上述功能的部分代码如下：

　　MOV TH0，#0

　　MOV TL0，#0；

　　/*定时器T0初值*/

　　SETB P1.0；

　　/*发射脉冲*/

　　SETB TR0；

　　/*T0 开始定时*/

　　ACALL DELAY300μs；

　　/*延时300μs发射信号*/

　　CLR R1.0；

　　/*脉冲发送结束*/

　　SETB  EX0；

　　/*开启外部中断*/

　　ACALL DELAY10ms；

　　/*延时10ms，等待中断*/

　　CLR EX0

　　/*关中断，防误触发*/

　　3．2带通滤波和缓冲电路

　　系统选用中心频率为40 kHz的有源带通滤波器，属于高Q无限增益反馈型电路，放大发射信号和滤除杂波干扰。带通滤波和缓冲电路如下图所示，

LM555产生的超声波幅值为4．5V左右，所以放大信号的增益不能太大，文中输出电压幅值大约为1 5V峰一峰值，通过可变电阻器调节以获得满意的信号幅度。

　　LF353运算放大器含有两个运放，将另一个运放连接为跟随器，减小负载效应对输出电压的影响，缓冲器的输出驱动超声波发射传感器。

　　3．3高输入阻抗差分放大电路

     为抑制接收信号中的其模干扰，在输入级加入一个双端转单端的差分放大器，如下图所示。

由于普通的单运放差分放大器的输入电阻很小，不利于与系统中使用的电压输出型超声波传感器连接。本文采用能增大输入电阻的三运放高输入电阻差分放大器，再输入带通滤波器，去除开关电源的噪声和50Hz的工频等杂波信号。这部分电路对提高系统的综合性能有较大的帮助。

　　输入级的带通滤波电路和输出级的带通滤波器完全样，因为通过它们的有用信号频率都是40kHz。其中，输入级的放大倍数由于接收的是微弱信号比输出级要大很多，可以由电路中设置的可调电阻实现。

　　3.4自动增益控制电路

       自动增益控制电路使放大电路的增益自动跟随信号强度而调整的自动控制方法。实现这种功能的电路简称AGC(闭环电子电路)，分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分。其中，增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压而改变：控制电压形成电路的基本部件是AGC检波器和低通平滑滤波器，有时也包含门电路和直流放大器等部件。

　　放大电路的输出信号Uo经检波、滤波器滤除低频调制分量和噪声后，产生用以控制增益受控放大器的电压Uc。当输入信号Ui增大时，Uo和Uc亦随之增大，Uc增大使放大电路的增益下降，从而使输出信号的变化量显着小于输入信号的变化量，达到自动增益控制的目的。

　　放大电路增益的控制方法有：（1）通过改变晶体管的直流工作状态，以改变晶体管的电流放大系数β；(2)在放大器各级间插入电控衰减器；(3)用电控可变电阻作放大器负载等。

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