超聲波作為一種特殊的聲波，由于其指向性強，在空氣中傳播速度相比光速要小很多，其傳播時間容易檢測，因此，目前超聲波測距中廣泛采用回波-渡越時間方法[1]，即檢測從超聲波發射器發出的超聲波，經氣體介質傳播到接收器的時間即為渡越時間。渡越時間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸的距離。該測試方法對于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主要用于長度超過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
超聲波發生器內有一個共振板和兩個壓電晶片，當它的外加脈沖信號頻率等于壓電晶片的固有頻率時，壓電晶片會產生共振，并帶動共振板一起振動，這樣就產生了超聲波[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。在系統設計中，首先，設定兩塊板為主從板，主板先發射，從板處于接收狀態。主板發射完畢后切換模式為接收狀態，從板相反。由于紅外的傳輸速度為光速，可以認為是無窮大，從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，即為超聲波的傳輸時間T，則計算的距離S=V×T。
2 系統軟硬件設計
系統硬件結構分為單片機控制超聲波的發射、接收波的放大、數據處理和顯示4個部分。其結構如圖1所示。
2.1 紅外和超聲波發射電路設計
在超聲波測距系統中， 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單片機的定時器產生。圖3為超聲波電路中L2和超聲波探頭P1以及C10共振的波形圖，衰減了10倍。圖4為紅外發射波形圖。
2.2 紅外和超聲波接收電路設計
本系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后經過濾波處理和判定為有效值時，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為超聲波接收端波形放大及經典的二極管檢波電路之后輸出的超聲波接收端信號波形，其通過比較器輸入到STM8單片機的另一個捕獲引腳來控制定時器的停止。
2.3 系統軟件設計
STM8單片機控制器主要完成紅外和超聲波的中斷響應、發射定時以及產生38 kHz和40 kHz的方波來驅動各自的三極管以及紅外與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。系統程序流程如圖8所示。
本紅外-超聲波系統主要應用在工業梁上的運動吊車上。經實踐應用證明，該系統測量距離可滿足大于10 m的要求，克服了反射式超聲波測距儀測量距離只能達到5 m左右的問題，同時消除了反射式超聲波測距儀存在的測量盲區，測量精度小于1 cm，可靠性高，超過了實際的應用要求。初步可以滿足產業化的需要，經改進可升級成智能化的超聲波測距儀。
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