一、超声波测距原理
超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即: S = v·△t /2 ①
这就是所谓的时间差测距法。
由于超声波也是一种声波, 其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大, 则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0. 6 米/ 秒。如果测距精度要求很高, 则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为：V = 331.45 + 0.607T ②
声
速
确
定
后,
只
要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。
二、系统硬件电路设计
图2 超声波测距仪系统框图
基于单片机的超声波测距仪框图如图2所示。该系统由单片机定时器产生40KHZ的频率信号、超声波传感器、接收处理电路和显示电路等构成。单片机是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机，单片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz的10个脉冲信号加到超声波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后，单片机片内计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数，这样就得到了从发射到接收的时间差△t;根据公式①、②计算出被测距离,由显示装置显示出来。下面分别介绍各部分电路：
1 、超声波发射电路
超声波发射电路如图3所示，89C51通过外部引脚P1.0 输出脉冲宽度为250μs , 40kHz的10个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发射出超声波。由于超声波的传播距离与它的振幅成正比,为了使测距范围足够远,可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。
图3中T为超声波传感器，是超声波测距系统中的重要器件。利用逆压电效应将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射; 利用压电效应可以将作用在它上面的机械振动转换为相应的电信号, 从而起到能量转换的作用。市售的超声波传感器有专用型和兼用型,专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波。兼用型就是收发一体, 只一个传感器头, 具有发送和接收声波的双重作用, 称为可逆元件。
超声波接收及信号处理电路是此系统设计和调试的一个难点。超声波接收器接收反射的超声波转换为40KHz毫伏级的电压信号,需要经过放大、处理、用于触发单片机中断INT0。一方面传感器输出信号微弱，同时根据反射条件不同信号大小变化较大,需要放大倍数大约为100到5000倍,另一方面传感器输出阻抗较大,这就需要高输入阻抗的多级放大电路,这就会引入两个问题:高输入阻抗容易接收
干扰信号,同时多级放大电路容易自激振荡。参考各种资料最后选用了SONY公司的专用集成前置放大器CX20106达到了比较好的效果。
CX20106由:前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型电路组成。其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时放大器有较高的增益,在近距离输入信号强时放大器不会过载。其带通滤波器中心频率可由芯片脚5的外接电阻调节。其主要指标:单电源5V供电，电压增益77 - 79DB , 输入阻抗27 KΩ, 滤波器中心频率30 K- 60 KHz。功能可描述为: 在接收到与滤波器中心频率相符的信号时,其输出脚7脚输出低电平。芯片中的带通滤波器、积分器等使得它抗干扰能力很强。
CX20106采用8脚单列直插式塑料封装，内部结构框图如图4。超声波接收器能将接受到的发射电路所发射的红外光信号转换成数十伏至数百伏的电信号，送到CX20106的①脚，CX20106的总放大增益约为80dB，以确保其⑦脚输出的控制脉冲序列信号幅度在3.5~5V 范内。总增益大小由②脚外接的R1、C1决定，R1越小或C1越大，增益越高。C1取值过大时将造成频率响应变差，通常取为1uf。C2为检波电容，一般取3.3uf。CX20106 采用峰值检波方式，当C2容量较大时将变成平均值检波，瞬态响应灵敏度会变低，C2较小时虽然仍为峰值检波，且瞬态响应灵敏度很高，但检波输出脉冲宽度会发生较大变动，容易造成解调出错而产生误操作。R2为带通滤波器中心频率f0的外部电阻，改变R2阻值，可改变载波信号的接受频率，当f0偏离载波频率时，放大增益会显著下降，C3为积分电容，一般取330pf，取值过大，虽然可使抗干扰能力增强，但也会使输出编码脉冲的低电平持续时间增长，造成遥控距离变短。⑦脚为输出端，CX20106 处理后的脉冲信号由⑦脚输出给单片机处理从而获得显示输出。
图4 CX20106内部结构框图
本系统中应用的接收电路见图5 , 当89C51的P1.7为高电平时三级管V1导通，+5V电源通过继电器线圈和V1的发射结到地，使继电器K1接通，R2和R3并联组成5Ω电阻通过C1组成RC电路，控制红外接收专用集成电路CX20106的增益，使其7脚输出一定幅度的电压信号到89C51的P0.2口以触发中断。另外该芯片价格在三到五元,非常节省系统成本。
图5 超声波接收电路
3、距离显示电路
图6 显示电路
超声波显示电路如图6所示。是利用单片机的串行输出。只用单片机的TXD，RXD端即可显示数字。
三、软件程序设计
本系统采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成，图8为程序流程图。该系统的主程序处于键控循环工作方式，当按下测量键时，主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量结果用显示子程序在数码显示器上显示出来。
图8 软件程序框图
定时器中断子程序
外部中断服务子程序
四、具体程序
#include
#include
/*定义数据类型*/
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
/*定义系统常数*/
long int time; /* 时间*/
bit CLflag; /* 测量标志*/
char cshu; /* 串数*/
#define T12us (256-12) /*定时器设初值T=（256-T12us）*12/12MHZ */ /*定义功能位,串口用于显示*/
sbit VOLCK=P1.0; /* 发射*/
sbit MING=P3.2; /* 外部中断0检测接收信号*/
char idata disp[9]; /* 显示数据*/
char idata number[9]; /* 显示数据*/
char code table[] ={0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09};
/* 码表0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 */
void dispfb() /* 显示5位数据*/
{ char i;
for(i=0;i<5;i++) {
disp[i]=table[number[i]]; }
disp[3]=disp[3]+1; /* 置小数点*/
for(i=0;i<6;i++) {
SBUF=disp[i]; while(TI==0); TI=0; } }
/* 通用延时子程序*/
void delay( int j )
{ int i; for(i=0;i /* 初始化定时器,CTC0、CTC1用于定时*/ void init_CTC(void ) { TMOD = 0x21; /* 设CTC1工作于模式2 */ ET0 = 0; /* 不允许CTC0中断*/ } void init_INT( ) /* 外部中断初始化为高优先级，并开中断*/ { IP=0x01; /* 置外部中断INT0优先级为高*/ TCON=0; /* 设置外部中断0的中断方式为电平触发*/ } void serve_INT0( ) interrupt 0 { /* 外部中断0，用于检测接收信号*/ TR0=0; /* 关闭定时器0 */ EX0=0; /* 关中断*/ time=(long)TL0; time+=(long)TH0*256; CLflag=1; } /* CTC1中断服务程序，12.5us 中断一次,用于发射*/ void CTC1_INT ( ) interrupt 3 { VOLCK=~VOLCK; cshu++; } void CTC0_INT ( ) interrupt 1 { TR0=0; ET0=0; } void Timetojuli( ) /* 将测量的时间转换为距离*/ { long i; i=(long)time; i=i*340; i=i/2; number[4]=i/10000000; /* 十米*/ i=i-number[4]*10000000; number[3]=i/1000000; /* 米*/ i=i-number[3]*1000000; number[2]=i/100000; /* 分米*/ i=i-number[2]*100000; number[1]=i/10000; /* 厘米*/ i=i-(long)number[1]*10000; number[0]=i/1000; /* 毫米*/ } uchar getkey( ); /* 读键盘*/ /*主程序*/ void main() { int i, key; init_CTC( ); /* 初始化定时器*/ init_INT( ); /* 初始化外部中断*/ CLflag=1; /* 测量标志*/ for(i=6;i>4;i--) disp[i]=0xff; cshu=0; /* 传数*/ delay(200); /*延时*/; IE=0x80; /* 开中断*/ ET1=0; ET0=0; TR1=0; TR0=0; TL1=T12us; TH1=T12us; while(1) { key=getkey( ); /* 读键盘*/ if(key==0x0fe && CLflag==1 ) /* 测量*/ { key=0; CLflag=0; cshu=0; TL1=T12us; TH1=T12us; TL0 = 0; TH0 = 0; /* 定时器0的初始时间*/ TR0=1; /* 启动定时器0，开始记时*/ TR1=1; /* 启动定时器1，发送信号*/ ET1=1; while(cshu<12) ; ET1=0; /* 发十个脉冲串*/ TR1=0; delay(95); EX0=1; while(!CLflag); if( cshu>=10 && CLflag==1) { Timetojuli( ); dispfb(); } } } } uchar getkey( ) { char flag; uchar key, keytemp; flag=0; keytemp=P1; if(keytemp==0xff) return(255); else { flag=1; delay(100); key=P1; if(key==keytemp) return(key); else return(255); } } 五、实验结果及分析 表2是利用本文的测距仪进行实际测量的结果。由表中数据可见, 在20～150cm 范围内误差相对较小；小于20cm 范围内误差较大，这是因为超声波距离测量存在一定范围的盲区,盲区的出现是因为发出信号必须有一个上升时间, 当距离太近时计算机系统已不能处理迅速返回的反射波信号, 所以距离小于0.2米测量误差明显增加。 300cm以后的数据误差明显增大, 这是由于发射功率不够大, 接收到的信号 很微弱, 引入了一些干扰因素。但电路引入温度补偿电路后总的实验结果误差在厘米级,基本上可以满足测量要求。 表2 测距仪实测结果 结束语 本系统利用超声波传感器实现无接触式空气测距,没有考虑环境温度对超声波传递速度的影响,故本系统在常温下具有测量精度高、抗干扰能力强、反应速度快等特点,可适用于各种水文液位测量、障碍物的识别以及车辆自动导航等领域,因此具有广阔的应用前景。 参考文献 [1] 马忠梅,等. 单片机的C 语言应用程序设计. 北京航天航空大学出版社,2001年 [2] 刘瑞星，等.单片机原理及应用教程.机械工业出版社,2006年 芀一、超声波测距原理 肅超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的 同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S , 即: 膂S = v·△t /2 ① 芀这就是所谓的时间差测距法。 蝿由于超声波也是一种声波, 其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大, 则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0. 6 米/ 秒。如果测距精度要求很高, 则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为： 螅V = 331.45 + 0.607T ② 芄 声 速 确 定 后, 只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。 薂二、系统硬件电路设计 腿图2 超声波测距仪系统框图 蒆基于单片机的超声波测距仪框图如图 2 所示。该系统由单片机定时器产生 40KHZ 的频率信号、超声波传感器、接收处理电路和显示电路等构成。单片机 是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机，单 片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz 的10 个脉冲信号加到超声 波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后， 单片机片内计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数， 这样就得到了从发射到接收的时间差△t;根据公式①、②计算出被测距离,由显示装置显示出来。下面分别介绍各部分电路： 莅1 、超声波发射电路 螀超声波发射电路如图3所示，89C51 通过外部引脚P1.0 输出脉冲宽度为250 μ s , 40kHz 的10 个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发 射出超声波。由于超声波的传播距离与它的振幅成正比,为了使测距范围足够远, 可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。 薈图3中T为超声波传感器，是超声波测距系统中的重要器件。利用逆压电效应 将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射; 利用压电效应可以将作用在它 上面的机械振动转换为相应的电信号, 从而起到能量转换的作用。市售的超声 波传感器有专用型和兼用型,专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接 自制一个由你掌控的 —— 超声波测距传感器（硬件篇） 一、背景 四年多前，我曾尝试自己制作一个超声波测距传感器。 当时是想为 LEGO 的 RCX 配套，因为我是Semia 的技术支持，那时RCX 还没有配置任何测距传感器。由于可查阅的资料有限，且不详细，最后以失败告终 /（也许在网络搜索上我属于“菜鸟”）。 为了达到目的，只好选用了 Sharp 公司的 GP2D12。但自制超声波测距传感器的愿望一直没被遗忘。一是觉得超声波用于测距从原理上讲应该效果不错（GP2D12的测距范围太小，只有 10 — 80 cm）；二是市售成品不够灵活，为了适应它还得做转换接口，费力耗财。 前段时间协助一个单位搞项目，涉及到超声波测距；有幸的是解剖了一款进口的超声波测距传感器 —— SensComp公司的6500，使我对相关原理和技术有了比较透彻的了解。 本想项目结束后立刻动手设计一个自己的传感器，后因忙于“圆梦小车”耽搁了。 现在圆梦小车已初具雏形，可以腾出一点时间，而且小车也需要一些传感器与之配套，便着手实现了这个夙愿。 基于嵌入之梦工作室的宗旨 —— 为学习单片机的大学生服务，将设计和制作的细节与大家分享，希望能有助于读者做出属于你自己的超声波传感器，也让和我有类似想法的人不至于再次失望于网络。 二、需求分析 ?能在测距范围上弥补 GP2D12 的不足，将距离延伸到 80cm以外； ?可以提供给大学生和爱好者 DIY，具有学习功能； ?方便自己随时修改程序，使学习的作用得以充分发挥； ?成品具有一定的使用价值，可方便的应用于小车等需要测距的装置上。 三、概要设计 总体设计参照 SensComp公司（https://www.doczj.com/doc/666874183.html,）6500测距模块，其核心是两片专用的超声波测距IC：TL851和TL852。 TL852是一片专门设计用于超声波接收、放大、检测的芯片，集成了可变增益、选频放大器，可通过四根控制线变换11级增益，对于检测超声波信号十分有效。 TL851 与TL852 配套，它可实现超声波发射及控制TL852的增益变换，通过定时控制增益，使TL852的增益与回波时间相匹配，一方面提高了检测的灵敏度，同时减小了干扰。 如果不能随时间变换增益，为增加检测距离，就需要加大灵敏度；而开始时灵敏度就很高，无疑会收到一些不想要的信号。（6500测距模块的相关资料及芯片资料见附件） 解剖此模块时，对TL852的功能十分感兴趣，当初我制作时就是“栽”在这个环节；而TL851的功能基本属数字控制范畴，输出还需要配合单片机才能得到结果，接口也不是十分灵活，笔者认为完全可以用单片机替代。 所以，本次设计的主要改变就是用单片机替换6500模块的TL851。 单片机还是选用圆梦小车所用的STC12系列，一是考虑是51兼容，符合国内多数教材；二是下载程序方便。此次选用的是 STC12LE4052（4K FlashROM，256 RAM）。考虑体积因素，选择了SOP20封装。 安全避障是移动机器人研究的一个基本问题。障碍物与机器人之间距离的获得是研究安全避障的前提，超声波传感器以其信息处理简单、价格低廉、硬件容易实现等优点，被广泛用作测距传感器。本超声波测距系统选用了SensComp公司生产的Polaroid 6500系列超声波距离模块和600系列传感器，微处理器采用了ATMEL公司的AT89C51。本文对此超声波测距系统进行了详细的分析与介绍。 1、超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于20KHz的机械波[1]。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应[1]的原理将电能和超声波相互转 化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）[2]。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的 声源与障碍物之间的距离，即 1、硬件电路设计 我们设计的超声波测距系统由Polaroid 600系列传感器、Polaroid 6500系列超声波距离模块和AT89C51单片机构成。 2.1 Polaroid 600系列传感器 此超声波传感器是集发送与接收一体的一种传感器。传感器里面有一个圆形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一层金属薄膜，在其背面有一个铝制的后板。薄片和后板构成了一个电容器，当给薄片加上频率为49.4kHz、电压为300VAC pk-pk的方波电压时，薄片以同样的频率震动，从而产生频率为49.4kHz的超声波。当接收回波时，Polaroid 6500内有一个调谐电路，使得只有频率接近49.4kHz的信号才能被接收，而其它频率的信号则被过滤。 Polaroid 600超声传感器发送的超声波具有角度为30度的波束角[3]，如图1所示： 高精度超声波测距系统设计。 引言 利用超声波测量距离的原理可简单描述为：超声波定期发送超声波，遭遇障碍物时发生反射，发射波经由接收器接收并转化为电信号，这样测距技术只要测出发送和接收的时间差， 然后按照下式计算，即可求出距离： 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求， 因此，广泛应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。目前的测距量程上能达到百米数量级，测量的精度往往能达到厘米数量级。本文在分析现有超声波测距技术基础之上， 给出了一种改进方案，测量精度可达毫米级。 2 系统方案分析与论证 2.1 影响精度的因素分析 根据超声波测距式(1)可知测距的误差主要是由超声波的传播速度误差和测量距离传播 的时间误差引起的。 对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。此外，当要求测距误差小于 1 mm时，假定超声波速度C=344 m／s(20℃室温)，忽略声速的传播误差。则测距误差s△t<0.000 002 907 s，即2.907 ms。根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1 mm的误差。使用的12 MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μｓ的精度，因此系统采用AT89S51的定一时器能保证时间误差在 1 mm的测量范围内。 基于超声波传感器的液位测量 1.摘要 超声波传感器应用广泛，其中液体液位的准确测量是实现生产过程检测和实时控制的重要保障，也是实现安全生产的重要环节。本文主要介绍液位的测量。液体罐内液位测量的方法有很多种，其中超声波传感器由于结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制，所以超声波测量法得到了广泛的应用。2.超声波概要 超声波是指频率高于20kHz的机械波，一般由压电效应或磁致伸缩效应产生；它沿直线传播，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强；它还具有强度大、方向性好等特点，为此，利用超声波的这些性质就可制成超声波传感器。超声波传感器是利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应研制而成的传感器。超声波传感器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。压电式超声波传感器常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械震动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声波振动转换成电信号，可作为接收探头。 3.检测方法选择 从测量范围来说，有的液位计只能测量几十厘米，有的却可达几十米。从测量条件和环境来说，有的非常简单，有的却十分复杂。例如:有的是高温高压，有的是低温或真空，有的需要防腐蚀、防辐射，有的从安装上提出苛刻的限制，有的从维护上提出严格的要求等。 按测量液位的感应元件与被测液体是否接触，液位仪表可以分为接触型和非接触型两大类。接触型液位测量主要有:人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩液位计等。它们的共同点是测量的感应元件与被测液体接触，即都存在着与被测液体相接触的测量部件且多数带有可动部件。因此存在一定的磨损且容易被液体沾污或粘住，尤其是杆式结构装置，还需有较大的安装空间，不方便安装和检修。非接触型液位测量主要有超声波液位计、微波雷达液位计、射线液位计以及激光液位计等。顾名思义，这类测量仪表的共同特点是测量的感应元件与被测液体不接触。因此测量部件不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而其适用范围较为广泛，可用于接触型测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。 根据以上几种因素得知，超声波液位计是非接触式液位计中发展最快的一种。超声波在同一种介质中传播速度相对恒定，遇到被测物体表面时会产生反射，基于此原理研制出 一、超声波测距原理 超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即: S = v·△t /2 ① 这就是所谓的时间差测距法。 由于超声波也是一种声波, 其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大, 则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0. 6 米/ 秒。如果测距精度要求很高, 则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为： V = 331.45 + 0.607T ② 声 速 确 定 后, 只 要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。 二、系统硬件电路设计 图2 超声波测距仪系统框图 基于单片机的超声波测距仪框图如图2所示。该系统由单片机定时器产生40KHZ的频率信号、超声波传感器、接收处理电路和显示电路等构成。单片机是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机，单片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz的10个脉冲信号加到超声波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后，单片机片内计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数，这样就得到了从发射到接收的时间差△t;根据公式①、②计算出被测距离,由显示装置显示出来。下面分别介绍各部分电路： 1 、超声波发射电路 超声波发射电路如图3所示，89C51通过外部引脚P1.0 输出脉冲宽度为250μs , 40kHz的10个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发射出超声波。由于超声波的传播距离与它的振幅成正比,为了使测距范围足够远,可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。 图3中T为超声波传感器，是超声波测距系统中的重要器件。利用逆压电效应将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射; 利用压电效应可以将作用在它上面的机械振动转换为相应的电信号, 从而起到能量转换的作用。市售的超声 超声波传感器及超声波测距 摘要：介绍了一种基于AT89C52单片机的超声波测距系统，由555和运放及比较器配合超声波传感器有效组成了超声波的发射电路和接收电路。同时在数据处理，盲区消隐方面提出了有效解决方法! 从而提高了检测的精度及灵敏度,以及用LCD液晶显示器配合美妙的音乐进行显示。本文主要阐述了超声测距系统的硬件电路构成、工作原理及软件设计方法。该系统硬件结构简单、工作可靠,有良好的测量精度和灵敏度。 [关键字] 超声波测距 LCD液晶 前言 随着科技的迅猛发展越来越多科技成果被广泛的运用到人们的日常生活当中,给我们的生活带来了诸多方便。这一设计就是本着这个宗旨出发,利用超声波的特性来为我们服务。 人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。由于超声波指向性强,因而常于距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在移动机器人,汽车安全,海洋测量等上得到了广泛的应用。本设计提供一种液晶显示测距装置,该装置利用了发射接收一体化的超声波传感器和微处理器。采用超声波传感器分时工作于发射和接收,利用声波在空气中的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物到超声波测距器之间的距离。 距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数,所以,测距就成为数据采集中要解决的一个问题。尽管测距有多种方式,比如,激光测距,微波测距,红外线测距和超声波测距等。但是,超声波测距不失为一种简单可行的方法。虽然超声波测距电路多种多样,甚至已有专用超声波测距集成电路。但是,有的电路复杂,技术难度大,有的调试困难,有的元件不易购买。本文介绍的电路,成本低廉,性能可靠,所用元件易购,并且利用测距原理,结合单片机的数据处理,使测量精度提高,电路实现容易,无须调试,工作稳定可靠。 电子信息系统综合设计报告 超声波测距仪 目录 摘要 (3) 第一章绪论 (3) 1.1 设计要求 (3) 1.2 理论基础 (3) 1.3 系统概述 (4) 第二章方案论证 (4) 2.1 系统控制模块 (5) 2.2距离测量模块 (5) 2.3 温度测量模块 (5) 2.4 实时显示模块 (5) 2.5 蜂鸣报警模块 (6) 第三章硬件电路设计 (6) 3.1 超声波收发电路 (6) 3.2 温度测量电路 (7) 3.3 显示电路 (8) 3.4 蜂鸣器报警电路 (9) 第四章软件设计 (10) 第五章调试过程中遇到的问题及解决 (11) 5.1 画PCB及制作 (11) 5.2 焊接问题及解决 (11) 5.3 软件调试 (11) 实验总结 (13) 附件 (14) 元器件清单 (14) HC-SR04超声波测距模块说明书 (15) 电路原理图 (17) PCB图 (17) 程序 (18) 摘要 该系统是一个以单片机技术为核心,实现实时测量并显示距离的超声波测距系统。系统主要由超声波收发模块、温度补偿电路、LED显示电路、CPU处理电路、蜂鸣器报警电路等5部分组成。系统测量距离的原理是先通过单片机发出40KHz 方波串，然后检测超声波接收端是否接收到遇到障碍物反射的回波，同时测温装置检测环境温度。单片机利用收到回波所用的时间和温度补偿得到的声速计算出距离，显示当前距离与温度，按照不同阈值进行蜂鸣报警。由于超声波检测具有迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制的特点，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在生产生活中得到广泛的应用，例如超声波探伤、液位测量、汽车倒车雷达等。 关键词：超声波测距温度测量单片机 LED数码管显示蜂鸣报警 第一章绪论 1.1设计要求 设计一个超声波测距仪，实现以下功能： (1)测量距离要求不低于2米； (2)测量精度±1cm； （3）超限蜂鸣器或语音报警。 1.2理论基础 一、超声波传感器基础知识 超声波传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，并利用波的特性，实现对各种参量的测量。 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，与环境条件也有关： 在气体中，超声波的传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播速度为C=331.5+0.607t/0C (m/s) 式中，t为环境温度，单位为0C. 二、压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 三、超声波测距原理 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在空气中传播的距离较远，因而超声波 高精度超声波测距系统设计 引言 利用超声波测量距离的原理可简单描述为：超声波定期发送超声波，遭遇障碍物时发生反射，发射波经由接收器接收并转化为电信号，这样测距技术只要测出发送和接收的时间差，然后按照下式计算，即可求出距离： 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此，广泛应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。目前的测距量程上能达到百米数量级，测量的精度往往能达到厘米数量级。本文在分析现有超声波测距技术基础之上，给出了一种改进方案，测量精度可达毫米级。 2 系统方案分析与论证 2.1 影响精度的因素分析 根据超声波测距式(1)可知测距的误差主要是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。 对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。此外，当要求测距误差小于1 mm时，假定超声波速度C=344 m／s(20℃室温)，忽略声速的传播误差。则测距误差s△t<0.000 002 907 s，即2.907 ms。根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1 mm的误差。使用的12 MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用AT89S51的定一时器能保证时间误差在1 mm的测量范围内。 如何选择适用于接近或距离测量的超声波传感器 超声波传感器是使用换能器发送和接收超声波脉冲，该超声波脉冲中继有关物体接近度的信息，经反射返回传感器，系统通过测量回波返回传感器的时间，并利用声波在介质中的传播速度计算超声波测量到物体距离的仪器。 因其特性超声波传感器被广泛用于各种非接触场景如接近或距离测量中，然而目前市场上的各种超声波传感器在安装配置、环境密封、电子特征等方面各不相同。特别是在声学上，根据操作频率和辐射模式不同，不难选择最符合特定应用环境和机械要求的传感器，也不难评估不同型号产品电子性能。声学对超声波传感器操作和测量产生了深远影响。本文工采网小编通过介绍超声波传感器的特性和影响因素来解答如何选择适用于接近或距离测量的超声波传感器。 影响超声波传感器操作的一些基本声学参数 1、声速随温度和传输介质(通常是空气) 的组成变化而变化，测量的精度和分辨率有何影响？ 重点：抓住空气中，声速与温度的关系 在回波测距系统中, 测量了超声脉冲发射与返回接收机之间的运行时间。然后使用传输介质(通常是空气) 中的声速计算到目标的距离。测得的目标距离的精度与计算中使用的声速精度成正比。声波的实际速度是声音传播的介质组成和温度的函数，如图1。 空气中的声速随温度的变化由关系[5]: c(T)：空气中声速与温度函数，单位：英寸/秒；T：大气温度，单位：℃。不同气体介质中的声速与空气组成的关系，同时受化学成分和温度的影响。下表是10°C 的各种气体的声速。 2、声波波长随声速和频率而变化，分辨率、精度、最小目标尺寸以及最小和最大目标距离的影响规律。 重点：声波波长与声速和频率的关系 声波波长随声速和频率的变化而变化，λ= c/f。λ：波长；c：声速；f：频率 基于51单片机的超声波测距仪说明书 引言 超声波测距仪，可使用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。利用超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。 一、性能要求 该超声波测距仪，要求测量范围在0.08-3.00m，测量精度1cm，测量时和被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。 二、工作原理及方案论证 超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于20KHz的机械波。用超声波传感器产生超声波和接收超声波，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器.超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源和障碍物之间的距离。 根据要求并综合各方面因素，采用AT89C52单片机作为主控制 器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距仪的系统框图如下图所示： 图1 超声波测距仪系统设计框图 三、系统硬件部分 硬件部分主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。 1.单片机系统及显示电路 单片机采用AT89C52来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.1引脚发射脉冲控制超声波的发送，然后单片机不停的检测外中断0口INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器和障碍物之间的距离。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管驱动。 单片机系统及显示电路如下图所示： 超声波测距系统实验报告 一、实验目的 1、通过实验，初步体验传感器的使用。 2、熟悉超声波传感器的使用方法。 3、通过自行分析、设计、安装、调试简单的电子电路来掌握电子电路设计的一般思想与方法。 二、实验任务 利用给定的超声波传感器，设计一个超声波测距系统：基本要求： ①测量距离不小于0.5米，数字显示，动态更新测量结果，更新时间约 0.5秒； ②测量精度优于0.05米,显示精度0.01米； ③距离小于0.2米时，用蜂鸣片发出间歇式的嘀一嘀声响报警。 说明：超声波传感器的说明请参见教材9.8.1。 提高要求： 测量距离大于1.5米。 三、实验原理 实验中将距离S转化为时间差△t，计算超声波接收模块接收到信号的时间与发射模块发射时间之间的时间差△t，根据S=，可计算得到距离，其中为超声波在空气中的传输速度，为简单起见，在设计时按照340m/s考虑。 闸门脉冲源产生宽度为T的信号，开启控制门，使得超声波振荡器输出40ＫＨＺ的脉冲信号经过放大器传送给超声波发射器，同时闸门脉冲源产生清零信号，使计数器从零开始计数。脉冲信号经过一定的时间反射回来，被超声波接受器接受，成为电信号。将回波放大滤波后，回波检测电路检测出接收的第一个脉冲的前沿，电路输出使计数器停止计数，则计数器的值即为待测的距离。 四、模块设计 模块一波形振荡器 需要输出40KHZ的方波，开始利用一片555构成多谐振荡器，这样整个电路需要3片555， 为简便起见，可以利用施密特触发器构成多谐振荡器（《数字电子技术基础》）。电路图如下： 根据公式： 取C=10nF，R=1K，测得周期为9.16uS，根据比例关系，若取R=4k,则频率为39KHZ。 模块二闸门脉冲源的产生 利用一片555构成多谐振荡器，为保证刷新时间为0.5秒，可以选择频率为2HZ的脉冲源 电路图如下： 多超声波传感器的距离测量系统毕业设计 目录 第1章绪论 (1) 1.1 课题的提出 (1) 1.2 超声测距技术的研究情况及其发展 (2) 1.3 本课题的研究容及其意义 (3) 第2章超声波测距技术综述 (5) 2.1超声波简介 (5) 2.2超声波测距的一般原理和方法 (6) 2.3超声波传感器的主要参数及选择 (7) 第3章超声测距系统总体设计方案 (14) 3.1 总体设计方案概述 (14) 3.2单片机控制超声波传感器声波收发电路的设计 (16) 3.3 温度信号采集电路的设计 (17) 3.4显示单元电路的设计 (18) 3.5单片机与PC机串行通信的设计 (19) 第4章超声波测距系统硬件及软件的实现 (21) 4.1单片机AT89C51 (21) 4.2系统硬件设计的其他芯片原理介绍 (24) 4.3 系统软件设计 (30) 第5章实验结果及其分析 (43) 5.1实验结果 (43) 5.2实验结果分析 (44) 参考文献 (46) 致谢 (47) 附录 (48) 第1章绪论 1.1 课题的提出 随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展，测距与识别问题在工业中变得十分重要。比如，传统的接触式测量仪器(如钢卷尺)在测量巷顶与底板距离及巷道的变形量时，这种仪器对高于3m的顶板安设困难，且测量不准确;对于巷道横向变形量的测量，若安设于巷道两侧之间，则妨碍人、车来往，若不固定安设装，则测量精度低，难以监测微小变形。又如在自动化装配、检测、分类、加工与运输等过程中，要对随意放置的工件进行作业，这就必须对工件的位置、形状、姿势、种类自动地进行判别，尤其在工件运输过程中进行识别，则问题更为复杂与困难，因此人们急切需要非接触式测距仪。目前，非接触式测距仪器常采用超声波、激光和雷达。但激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声波方法具有明显突出的优点: 1.超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强，能量消耗缓慢，因此可以直接测量较近目标的距离; 2.超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体(如玻璃、抛光体); 3.超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中; 4.超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。 龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/666874183.html, 超声波传感器对用户距离的探测分析 作者：王光祥王意修 来源：《现代职业教育·高职高专》2017年第02期 [摘要] 通过对超声波传感器的组成、工作原理进行阐述分析，证明系统具有测量盲区 小、远近距离测量较稳定、精度符合工程指标的特点。通过对其他传导介质的分析对比发现，超声波具有测量盲区小、测量精度较高的优点。超声波传感器运用在电动轮椅、导盲等多领域市场广阔。 [关键词] 超声波传感器；用户距离；超声波 [中图分类号] TP212 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）04-0092-01 一、超声波的概念 （一）超声波的特点 超声波在科研机构中应用非常广泛，主要是因为它具有频率高、高强度的束射特性和方向性，并且它还可以实现定向传播，能量和同振幅的声波相比较，具有很大的优势，并具穿透能力，广泛运用在测距系统中。如果说束射性是超声波测距仪广泛被采用的原因之一，那么其服从几何光学的反射、折射性能也是必不可少的因素。在均匀介质中超声波按直线传播，遇到他类介质时，也像光波一样产生反射和折射，但能量及波型都将发生变化。 （二）超声波反射、透射能量及扩散衰减 我们知道两种介质声阻抗的特性决定了在物体或者液体等界面上的透射能量与反射能量的变化。而且其反射波的反射强度大小与这两种介质的声阻抗特性差成正比关系，即：特性差越大，反射强度也越大；特性差越小，反射强度也越小。选择一个例子就可以很容易看出来，空气的声阻抗特性比钢要大10万倍，由此得出超声波几乎不通过钢与空气的界面全部反射。从而我们可以很清楚地得出，当超声波在传播过程中，传播距离越长时，能量衰减也越大。超声波在介质表面传播过程中由于波的扩散、漫射或者被吸收的大小决定了能量的衰减大小，并且衰减的大小与距离的长短呈正向递减关系。介质的不均匀分布是造成散射衰减的一个重要原因，当超声波被一些介质吸收后会把声能变换为热能，所以会产生能量损失。 二、超声波传感器测量的原理 超声波传感器的构成非常简单，基本上由接收电路和发射电路组成，主要的检测方法是超声波。而超声波换能器的作用是把外界传递过来的超声波变换成电量形式输出。在日常生活中，用户最常用的一种超声波传感器是压电式传感器。它由两个部分构成：分别是接收探头和发射探头。而探头正是利用压电陶瓷等材料经过其压电效应进行工作的。那么，什么是逆压电 US-100 超声波测距模块 1.概述 US-100 超声波测距模块可实现2cm~4.5m 的非接触测距功能，拥有2.4~5.5V 的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。 2.主要技术参数 工作电压：DC 2.4V~5.5V 静态电流：2mA 工作温度：-20~+70 度 输出方式：电平或UART（跳线帽选择） 感应角度：小于15 度 探测距离：2cm-450cm 探测精度：0.3cm+1% UART 模式下串口配置：波特率9600，起始位1 位，停止位1 位，数据位8 位，无奇偶校验，无流控制。 3.实物图 （自己拍的不是很清楚） 4.测量原理 选用超声波传感器来采集信号，超声波发射端和接收端在同一水平面上。首先发射端向目标发射超声波，并同时启动定时器计时，超声波在空气中传播的途中一旦遇到障碍物后就会被反射回来，当接收端收到 反射波后就会给负脉冲到单片机使其立刻停止计时。定时器能够准确的记录下超声波发射点至障碍物之间往返传播所用的时间t,设声速为c，可得距离测量值为:s=ct/2，由单片机控制定时器可测得t值，从而得到s 值。 5.程序源代码 本代码是基于C8051F120单片机，采用LCD液晶显示屏进行显示，经过多次调试可将误差缩小至1-2mm。 #include 超声波测距传感器SDM-IO 本模块最远测试距离是1500mm,测量周期10ms专为小车设计。１、本模块性能稳定，测度距离精确。能和国外的SRF05,SRF02等超声波测距模块相媲美。模块高精度，首创无盲区（0cm开始测量）,稳定的测距是此产品成功走向市场的有力保障。 2 主要技术参数： 1）使用电压：DC3.8-5.5V 2）静态电流：小于8mA 3）输出TTL电平 4）感应角度：不大于15度 5）探测距离：0cm-1500mm 6）高精度：可达3mm 接线方式，VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、GND 模块主要特点: (1)超微型,只相当于两个发射,接收头的面积,已经没法再小了. (2)无盲区(8mm内成三角形误差稍大). (3)反应速度快,10ms的测量周期,不容易丢失高速目标。 (4)发射头,接收头紧靠,和被测目标基本成直线关系(8mm内还是大三角形,这个是发射,接收头的物理形状决定了). (5)模块上有LED指示,方便观察和测试! 1:超声波测距原理 超声波是一种频率比较高的声音,指向性强.超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。 测距的公式表示为：L=C×T 式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。 已知超声波速度C=344m/s (20℃室温) 超声波传播速度误差 超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系,近似公式为：C=C0+0.607×T℃ 式中：C0为零度时的声波速度332m/s； T为实际温度(℃)。 对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。 2:超声波模块使用方法 使TRIG=0,最少延迟10us的时间,然后TRIG=1,超声波模块此时开始启动一个测量周期,发射若干个40khz的声波,然后启动10ms的定时器等待反射波,如果收到反射波,模块的ECHO输出一个宽度为150us的负脉冲,从TRIG=1到ECHO=0的时间即为从发射到收到发射波的时间. 3:为什么距离最远只有1500mm? 本传感器专为智能小车等微型设备而设计,适合小范围,小空间,封闭空间的场合,大家知道,超声波传输速度低,衰减时间长,如果一味追求距离,就会导致响应时间长,丢失目标,在室内等封闭场合会形成多次发射震荡,传感器就无法正常工作了. 下面从传感器的反应时间来分析距离的问题: 超声波空气中速度每秒约340米,折算成毫秒,就是340mm/ms,探测距离为1500mm 的话,探测到回波的距离就是3000mm,超声波的传输时间是9ms,加上电路延迟,传感器的能量延迟,再预留一些保护时间(让上次超声波能量消失),每次测量时 河北科技师范学院欧美学院 科技技能训练--------综述 姓名胡连 学号9310080311 专业电气工程及自动化 院系机电科学与工程系 指导老师王宽王枫 欧美学院机电科学与工程系 2011年7 月 基于单片机的超声波传感器测距系统 摘要如今，拥有汽车的人越来越多，随之带来的交通隐患也越来越大，从而超声波汽车倒车探测器的诞生，也为此隐患带来了一个很好的解决办法。本设计详细介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声测距系统。文中首先阐述了超声传感器的原理及特性；对于测距系统的超声波频率、信号脉冲、器件型号等主要参数进行了讨论；在介绍了超声测距各模块功能的基础上，提出了系统的总体构成并对测距系统发射、接收、显示部分的硬件设计方案进行了论证。根据系统要求采用模块化的编程思路完成系统的算法设计，实现超声发射和距离显示功能。最后通过软硬件的综合调试实现短距离超声测距系统的基本功能。在本次设计中，最关健的部份是硬件电路和软件设计，所以本文对这两个部份做了比较详尽的介绍。其中硬件电路包括滤波电路、放大电路和整形电路。滤波电路的作用是滤掉一些噪声；因为超声波传感器是通过振动产生电流的，所产生的电流非常微弱，所以我们需要放大电路；而单片机只接收方波，所以要对放大的电流进行整波，这样单片机就可以正常工作了。 软件部份本文采用汇编语言编程，使用单片机的中断和计时功能，可以方便的实现所设想的功能。 关健词：超声波；传感器；单片机. 1超声波汽车倒车探测器简介 本文所研究的超声波汽车倒车探测器实际上就是一种近距离的雷达，它利用超声波测距原理，即用超声波发射器向某一方向发送超声波，同时在发射的时候开始计时，在超声波遇到障碍物的时候反射回来，超声波接收器在接收到反射回来的超声波时，停止计时。设超声波在空气中的传播速度为V，在空气中的传播时间为T，汽车与障碍物的距离为S，错误！未指定书签。S=VT/2，这样可以测出汽车与障碍物之间的距离，然后在LED显示屏上显示出来。 其工作机理是依据压电材料的正逆压电效应，利用逆压电效应产生超声波，即逆压电效应是在压电材料上加上某种特定频率的交变正弦信号，材料就会产生随所加电压的变化规律而变化的机械形变，这种机械形变推动周围介质振动，产生疏密相间的机械波，如果其振动频率在超声范围内，这种机械波就是超声波。 本文所设计的超声波汽车倒车探测器主要由AT89S51单片机、超声波发射电路、超声波接收放大电路、显示电路组成。 首先由单片机驱动产生40KHZ的频率，由超声波发射探头发送出去，在遇到障碍物反射回来时由超声波接收探头检测到信号，然后经过滤波、放大、整形之后送入单片机 超声波传感器的测距系统 安全避障是移动机器人研究的一个基本问题。障碍物与机器人之间距离的获得是研究安全避障的前提，超声波传感器以其信息处理简单、价格低廉、硬件容易实现等优点，被广泛用作测距传感器。本超声波测距系统选用了senscomp 公司生产的polaroid6500 系列超声波距离模块和600 系列传感器，微处理器采用了atmel 公司的at89c51。本文对此超声波测距系统进行了详细的分析与介绍。 超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于20khz 的机械波[1]。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应[1]的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法tof（timeofflight）[2]。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即 1、硬件电路设计 我们设计的超声波测距系统由polaroid600 系列传感器、polaroid6500 系列超声波距离模块和at89c51 单片机构成。 2.1polaroid600 系列传感器 此超声波传感器是集发送与接收一体的一种传感器。传感器里面有一个圆形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一层金属薄膜，在其背面有一个铝制的后板。薄片和后板构成了一个电容器，当给薄片加上频率为49.4khz、电压为300vacpk-pk 的方波电压时，薄片以同样的频率震动，从而产生频率为49.4khz 的 超声波。当接收回波时，polaroid6500 内有一个调谐电路，使得只有频率接近49.4khz的信号才能被接收，而其它频率的信号则被过滤。polaroid600 超声传感器发送的超声波具有角度为30 度的波束角[3]，如图1 所示： 超声波传感器既可以作为发射器又可以作为接收器，传感器用一段时间发射一串超声波束，只有待发送结束后才能启动接收，设发送波束的时间为d，则在d 时间内从物体反射回的信号就无法捕捉；另外，超声波传感器有一定的惯性，发送结束后还留有一定的余振，这种余振经换能器同样产生电压信号，扰乱了系统捕捉返回信号的工作。因此，在余振未消失以前，还不能启动系统进行回波接收，以上两个原因造成了超声传感器具有测量一定的测量范围。此超声波最近可以测量37cm。 芀一、超声波测距原理 ，在发射时刻的同肅超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波 时开始计时，超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为V ,而根据计时器记 录的测出发射和接收回波的时间差△ t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S , 即： 芀这就是所谓的时间差测距法。 ，其声速C与温度有关，表1列出了几种不同温度下的蝿由于超声波也是一种声波 声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334米/秒,但其传播速度V易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高1 C,声速增加约0.6米/ 秒。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T时，超声波传播速度V的计算公式为： 螅V = 331.45 + 0.607T ② 表1声速与温度关系表 确定后, 只要测得超声波往返的时间, 即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。 薂二、系统硬件电路设计 腿图 2 超声波测距仪系统框图 蒆基于单片机的超声波测距仪框图如图 2 所示。该系统由单片机定时器产生 40KHZ勺频率信号、超声波传感器、接收处理电路和显示电路等构成。单片机是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机，单片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz的10个脉冲信号加到超声波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后，单片机片内计数器开始计数, 在检测到第一个回波脉冲的瞬间, 计数器停止计数，这样就得到了从发射到接收的时间差△ t;根据公式①、②计算出被测距离，由显示装置显示出来。下面分别介绍各部分电路： 莅1 、超声波发射电路 螀超声波发射电路如图3所示，89C51!过外部引脚P1.0输出脉冲宽度为250卩s , 40kHz 的10个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发射出超声波。由于超声波的传播距离与它的振幅成正比,为了使测距范围足够远, 可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。 薈图3中T为超声波传感器，是超声波测距系统中的重要器件。利用逆压电效应将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射; 利用压电效应可以将作用在它上面 的机械振动转换为相应的电信号, 从而起到能量转换的作用。市售的超声波传感器有专用型和兼用型, 专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波。超声波传感器测距原理
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