引言
隨著電子技術的發展，測距技術越來越先進，從采用卷尺人工進行丈量，到用水準儀和三角理論進行測量計算，甚至采用激光測距等，這些測量手段因精度低、操作繁瑣或成本高而不盡人意。隨著超聲波的應用日益廣泛，超聲測距在測試領域中得到應用，該類產品如進口的超聲波液位計、超聲波測位儀等性能雖好，但價格昂貴。目前，超聲波傳感器技術已廣泛用于工業、國防、交通、生物醫療和家庭領域。超聲波傳感器技術與信息技術、集成工藝相結合，為開發智能化、高靈敏度的超聲波儀器設備創造了有利條件。鑒于此，運用嵌入式單片機技術、結合CAN總線通信協議標準、設計一種嵌入式超聲波測距儀具有很大的發展前景。它可以做到成本低、外圍電路簡單、功能齊全、能夠滿足一定的測量要求。
1 超聲波傳感器
1.1 典型結構
超聲波傳感器是利用超聲波的特性而研制的傳感器，超聲波傳感器的典型結構如圖1所示。它是把成正方形的兩個壓電晶片（亦稱雙晶振子）按照相反的極性粘貼在一起，再引出兩個電極。壓電晶片上面有金屬震動板和圓錐形振子。圓錐形振子具有很強的方向性，便于發送和接收超聲波。超聲波傳感器采用金屬或塑料外殼，其頂部有屏蔽柵。
1.2 測距原理
超聲波具有頻率較高，沿直線傳播、方向性好、繞射小、穿透力強、傳播速度慢（約340m/s,與聲速相同）等特點。
超聲波對固體和液體的穿透能力強，尤其對于在陽光下不透明的固體，可以穿透幾十m的深度。超聲波遇到雜質或分界面時會產生反射波，利用這一特性可構成超聲波探傷儀或測距儀。超聲波遇到移動物體時會產生多普勒效應（DopplerEffect），使接收到的頻率發生變化，由此可制成多普勒測距系統。
超聲波測距原理是超聲波發射探頭發出的超聲波脈沖，經媒質（空氣）傳到物體表面，反射后通過媒質（空氣）傳到接收探頭，測出超聲脈沖從發射到接收所需的時間，根據媒質中的聲速，求得從探頭到物體表面之間的距離。設探頭到物體表面的距離為L,超聲在空氣中的傳播速為v,從發射到接收所需的傳播時間為t,則有：L=vt/2。由此可見，被測距離L與傳播時間之間具有確定的函數關系，只要能測出時間t,即可求出距離L,通過軟件實現直接在顯示器上顯示L的值。
2 硬件電路設計
2.1 整體方案設計
根據所給的設計要求，即具有數字顯示、鍵盤輸入、超聲波發射與接收、能通過CAN總線與上位機進行通信、異常情況自動報警等功能。可以構架出此嵌入式超聲波測距儀的整體方案設計框圖如圖2所示。從圖2中可以看出整體硬件電路設計主要包括：微處理器AT89C51部分、電源電路部分、超聲波發射與接收電路部分、鍵盤輸入部分、CAN總線通信部分、LED顯示部分?，F將重點介紹超聲波發射、接收電路和CAN總線通信電路的具體設計。
2.2 超聲波測距電路
超聲波測距電路主要包括兩個部分：超聲波發射電路和超聲波接收電路，具體的電路設計如圖3所示。圖2中上半部分就是超聲波發射電路，微處理器AT89C51通過編程在端口P16產生一個40kHz的超聲波信號，經過兩個74LS14非門將信號驅動整形，再由三極管Q9對其進行放大，最后經過變壓器T1送到超聲波傳感器CSB-T40,這樣就可以通過超聲波傳感器CSB-T40發出相應的超聲波信號。而圖3中的下半部分就是超聲波接收電路，超聲波信號通過障礙物發射到超聲波傳感器CSB-R40后，產生一定的電信號，電信號通過集成塊BX1490放大后送到了2個74LS14非門電路整形，最后進入微處理器AT89C51的P17端口。這樣就完成了1次超聲波測距的掃描過程，它可以通過程序來控制計數器，將計數器的數據轉換為相應的時間，再用時間乘以超聲波的傳播速度后除以2,既可以得到障礙物與超聲波傳感器之間的距離。
2.3 CAN總線通信電路
考慮到現在的智能測試設備日益趨于網絡化，則將CAN總線通信功能也設計進了此嵌入式超聲波測距儀中，CAN總線通信電路系統主要有AT89C51微控制器、獨立CAN通信控制器SJA1000、CAN總線驅動器PCA82C250及復位電路IMP708組成。CAN總線應用節點具體電路設計如下圖4所示。為了提高系統的抗干擾能力，設計在SJA1000和CAN總線驅動器PCA82C250之間增加了光電隔離器6N137。當微處理器AT89C51將測距結果數據通過P0口發送到CAN總線控制器SJA1000,由SJA1000將并行數據轉換為串行數據從端口TX0發出，經過光電隔離器6N137后到達CAN總線驅動器PCA82C250,最后將數據發送到CAN總線上。相反，來自CAN總線的數據也可以經過相應電路到達微處理器。這樣就可以實現測距儀與上位機的通信功能。
3 程序設計
3.1 主程序設計
系統主程序主要包括系統的啟動后對系統的初始化、超聲波發射與接收、中斷管理、計時程序、測距計算、結果顯示、CAN通信、報警等其他子程序組成。根據以上超聲波測距儀的工作原理描述，系統主程序的流程圖設計如圖5所示。在主程序初始化后就進入超聲波信號發送程序，即利用程序產生超聲波信號由微處理器的P16端口送出，此時系統進入計時狀態，同時檢測P17端口是否能接收到超聲波的回波信號，但檢測到回波信號就關閉外部中斷進入計算距離子程序，接下來進行是否報警驗證和CAN通信子程序，最后打開外部中斷完成一次測距掃描過程，即主程序結束。
3.2 CAN通信子程序設計
CAN通信子程序主要包括3個部分：初始化子程序、發送子程序、接收子程序。在初始化子程序中主要是對系統的一些驗收碼寄存器、定時寄存器、輸出控制寄存器、定時寄存器、工作模式寄存器、中斷定時同步等參數進行設置。CAN通信中的發送與接收子程序的程序流程圖設計如圖6所示。在發送子程序中主要是讀取狀態寄存器位SR.2,看看SR.2是否為1,如果該位為1則進行相應的發送準備工作，同時將命令寄存器CMR.0置請求發送，發送完畢后就自動返回。而在接收子程序，先要讀狀態寄存器位SR.0,看看是否允許將緩沖區數據讀取到CPU的RAM中，讀取完畢后就釋放接收緩沖區，再看看SR.1是否為1,為1則對SR.1進行清除并作溢出處理，否則就讀取SR.6與SR.7并對其作計時器警告及相應處理。
4 結語
所設計的嵌入式超聲波測距儀具有結構簡單、價格便宜、性能可靠，測量和顯示障礙物距離的范圍為0.05～10m,它適用于對物體表面和液體表面的測量，可以作為一種小型的測距儀器使用于汽車倒車監視與報警裝置，也可以作為一種嵌入式設備嵌入到其他大型的工業檢測與控制系統中。