超声波测距电子电路设计详解

基于单片机AT89S52的超声波测距仪的设计与实现一、引言超声波测距仪是一种非接触式测距设备，通过发送超声波脉冲并接收超声波的回波来计算目标物体与测距仪之间的距离。

它在工业控制、智能车辆、机器人等领域有着广泛的应用。

本文将介绍基于单片机AT89S52的超声波测距仪的设计与实现，详细讨论硬件电路设计、软件程序编写以及实验测试等内容。

二、硬件设计1. 超声波模块超声波模块是测距仪的核心部件，它负责发射超声波脉冲并接收回波。

常见的超声波模块工作频率为40kHz，发送和接收分别采用单一的超声波传感器。

在本设计中，我们选用了HC-SR04型号的超声波模块，该模块具有精准测距、低功耗等优点，适合在单片机项目中使用。

2. 单片机AT89S52单片机AT89S52是一种高性能、低功耗的单片机芯片，它具有多种外设接口和丰富的功能，非常适合作为超声波测距仪的控制核心。

在本设计中，AT89S52的I/O口将分别连接超声波模块的Trig和Echo引脚，以完成数据的发送和接收。

3. 显示模块为了方便用户获取测距结果，我们设计了一个简单的数码管显示模块，用于显示测距仪测量到的距离数值。

利用AT89S52的数码管驱动功能，可以轻松实现距离数值的显示，并且可以根据需要扩展其他功能，比如显示单位、光线亮度调节等。

4. 电源电路为了保证整个测距仪系统的正常工作，我们设计了一个稳压电源电路，用于为AT89S52和超声波模块提供稳定的电压。

在实际应用中，我们可以选择直流电源输入或者电池供电，以满足不同场合的需求。

三、软件程序设计1. 初始化设置在软件程序设计中，首先需要对AT89S52的I/O口进行初始化设置，包括将Trig引脚设置为输出模式、将Echo引脚设置为输入模式，同时配置定时器和中断等功能。

这些初始化设置将为后续的超声波测距操作奠定基础。

2. 超声波信号发送当用户需要进行测距时，软件程序会向超声波模块的Trig引脚发送一个10us的高电平脉冲信号，启动超声波发送。

超声波测距系统的设计详解超声波测距系统是一种基于超声波测量原理进行距离测量的系统。

它利用超声波在空气中的传播速度较快且能够穿透一定程度的障碍物的特点，通过向目标物体发射超声波并接收反射回来的波形信号，从而计算出目标与传感器之间的距离。

下面将详细介绍超声波测距系统的设计过程。

首先，超声波测距系统的设计需要明确测量的范围和精度要求。

根据需求确定测量距离的最大值和最小值，以及所需的测量精度。

这将有助于选择合适的超声波传感器和测量方法。

其次，选择合适的超声波传感器。

超声波传感器一般包括发射器和接收器两部分，发射器用于发射超声波，接收器用于接收反射回来的波形信号。

传感器的选择应考虑其工作频率、尺寸、功耗等因素。

一般来说，工作频率越高，测距的精度越高，但传感器的尺寸和功耗也会增加。

接下来是超声波信号的发射和接收电路的设计。

发射电路负责产生超声波信号，并将其发送到目标物体上。

接收电路负责接收反射回来的波形信号，并将其转换成可用的电信号。

发射电路常采用谐振频率发射，以提高发射效率和功耗控制。

接收电路则需要设计合适的放大和滤波电路，以增强接收到的信号并去除噪声。

然后是超声波信号的处理和计算。

接收到的波形信号需要进行模数转换和数字信号处理，以获取目标物体与传感器之间的距离。

常见的处理方法包括峰值检测、时差测量、相位比较等。

峰值检测法通过检测波形信号的峰值来判断目标距离；时差测量法通过测量发射和接收信号之间的时间差来计算距离；相位比较法通过比较两个信号的相位差来测量距离。

最后是系统的校准和调试。

校准是调整测距系统的参数，使其达到预定的测量精度。

常见的校准方法包括距离校准和零位校准。

调试是对整个系统进行功能和性能测试，确保其正常工作。

在调试过程中需要注意测距系统与其他系统的干扰和噪声问题，并进行相应的抑制和滤波处理。

总之，超声波测距系统的设计涉及到传感器选择、电路设计、信号处理和系统调试等多个方面。

合理的设计和调试能够保证系统的稳定性和可靠性，从而满足测量的要求。

电子技术课程设计报告硬件超声波测距仪本次电子技术课程设计的主题是硬件超声波测距仪，目的是设计并制作一款超声波测距器，通过超声波传感器实现对距离的测量，并将测量结果输出显示在液晶屏幕上，同时也可以通过串口通信将数据发送给计算机进行处理。

以下是本文档的详细设计报告。

一、选型原则1. 选材：以自主设计的原则为基础，尽量选用成熟的产品和器材，确保产品的质量和稳定性。

2. 选型：根据我们所需的功能，选择性价比高、应用广泛的型号。

3. 综合性能指标：在价格、使用寿命、环保、功耗、可靠性、易用性等方面综合考虑，以最大化的性价比为原则。

二、功能需求分析1. 超声波测距功能：可以通过超声波传感器实现距离测量，大约测量范围在2cm-400cm。

2. 显示屏显示功能：可以将测距结果通过液晶屏幕实时显示，用户可以轻松获取距离信息。

3. 数据输出接口：可以通过串口通信将数据发送给计算机进行处理，也可以便于实现对数据的存储和管理。

4. 低功耗设计：可以降低功耗，减少对环境的影响，同时也可以延长电池使用寿命。

三、设计方案1. 超声波传感器超声波传感器是本次设计的核心部分，主要用于信号的接收与传输。

我们选择使用JSN-SR04T型号的超声波传感器，因为该型号的性价比比较高，使用方便，同时也稳定性能不错。

该型号的超声波传感器测量范围为2cm-400cm，并且具有精度高、速度快、适应性强等特点。

2. 控制电路本设计采用STM32F103C8T6 MCU控制器，能够为整个系统提供较稳定的控制环境，同时具有高性能和灵活性，可以充分满足我们的设计需求。

3. 显示屏本设计采用2.4寸的TFT液晶屏幕，可以通过SPI接口和MCU进行通信，实现对测量结果的实时显示。

4. 电源管理为了保证系统的稳定性和可靠性，我们采用了电源管理芯片AMS1117-3.3来进行稳压处理，同时也可以降低功耗、延长电池使用寿命。

四、关键实现技术1. 超声波信号的发射和接收。

---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------用51单片机设计超声波测距系统的设计原理和电路(附源程序)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）。

1/ 14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---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 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。

CX20106a的中文资料2009-08-23 10:46CX20106A的引脚注释：l脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。

2脚：该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。

增大电阻R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。

但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7Ω，C=3.3μF。

3脚：该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μF。

4脚：接地端。

5脚：该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。

例如，取R=200kΩ时，fn≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。

6脚：该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。

7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22kΩ，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。

8脚：电源正极，4.5V～5V。

发射部分接收部分注：这上面两幅图是做出实物经过测试的发射电路主要有反相器74LS04和超声波换能器构成,单片机P1.0端口输出的40KHz方波信号一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波发射强度。

输出端采用两个反向器并联，可以提高驱动能力。

上拉电阻R1、R2一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力；另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，以缩短其自由振荡的时间。

基于51单片机的超声波测距仪说明书引言超声波测距仪，可应用于汽车倒车、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，测量时与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与障碍物之间的距离。

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与障碍物之间的距离。

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。

目录引言 (1)1 超声波测距系统的原理及其算法设 (1)1.1 超声波及其物理性质 (1)1.2 超声波传感器 (1)1.3 超声波测距系统的算法设计 (2)2 系统硬件电路设计 (2)2.1 超声波发射电路 (3)2.2 超声波检测接收电路 (3)2.3 单片机系统及显示电路 (4)3 系统程序设计 (5)3.1 主程序设计 (6)3.2超声波发生子程序和超声波接收中断程序 (8)4 电路调试及问题解决 (12)4.1写入程序后，在P1.0端口无法检测到40KHz脉冲信号 (12)4.2混合编程调试不成功 (12)4.3LED数码管B段不亮 (12)5 系统实际测距数据分析 (13)结束语 (13)参考文献 (14)英文翻译 (14)超声波测距电路的设计与制作摘要：超声波具有易于定向发射、反射性好、传播速度远小于光速而便于测距等特点，本文充分利用超声波这些特点，设计并制作了基于单片机AT89C51的超声波测距电路，该电路可在10—208CM有效范围内测定距离并显示，经反复测试测量误差不大于2CM；电路的程序设计采用C和汇编语言混合编程，运行可靠。

超声波测距电路可以应用于智能避障、汽车交通等系统中，具有一定的实用价值。

关键词：单片机；超声波；发射；接收；测距引言人们从蝙蝠、海豚等动物活动中受启发，研究了超声波的物理特性。

超声波具有能量高、方向性好、穿透能力强等特性，且超声波的传播速度较光速要小的多，其传播时间就比较容易检测。

超声波测距的基本思想是：通过测量从超声波发射到接收到反射回波的时间间隔来计算距离。

本文利用超声波特性、数模电路、单片机设计了一种超声波测距电路，可以实现对目标距离的非接触式测量。

目前，超声波测距已广泛应用于各个领域中，如军事雷达、机械制造、电子冶金、汽车交通等，具有良好的应用前景。

1超声波测距系统的原理及其算法设计1.1超声波及其物理性质高于20kHz的机械波称为超声波。

超声波是一种弹性机械波，可以在气体、液体和固体中传播。

超声波测距摘要该超声测距系统采用芯片STC89C52作为系统的主控制器，利用NE555作为本系统的脉冲发射源，结合3位7段数码管液晶显示，达到了较大的测试距离和较高的测量精度，并能实时显示且无明显失真。

关键字: 超声波测距实时第1章设计题目与要求1.1 设计要求采用压电式超声波换能器，使用单片机作为控制器，完成超声波测距仪的软硬件设计。

1.2 基本要求：(1)具有反射式超声波测距功能，测量距离0.1m~3.0m；(2)测量距离精度：误差±1cm；(3) 利用LED数码管显示测试距离；(4)实时显示测量的距离，显示格式为：□.□□米第2章系统总体方案论证2.1 系统总体方案题目要求设计一个利用超声波反射原理测量距离的超声波测距仪，并且具有实时同步显示，由此本系统可以划分为发射、接收、显示、主控制模块共四大模块，如图2.1所示：图2.1系统基本方框图针对技术指标的需要，为使系统的测量距离更远、精度更高，提高系统的整体完善性，现对以上系统各个功能模块进行一一的方案论证：2.2 主控制模块2.2.1 主控制模块概述主控制器模块其实就是一个简化的嵌入式系统。

嵌入式系统一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。

它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。

2.2.2 主控制模块方案选择根据以上知识，考虑到目前市场上比较常用的AVR、61、51三种微控制器，我们有如下三种方案可供选择。

方案一：AVR单片机AVR单片机种类丰富，有AT tiny、AT90S、ATmeg系列，各个系列又有不同的型号，价格较适中。

相对来说，比起51单片机来说资源较丰富，内部也有集成A/D ，有PWM 输出，但在系统进一步扩展方面不是很好，这类单片机主要应用于工业控制领域，在语音处理方面没有什么优势。

方案二：SPCE061A.凌阳单片机的资源相对来说比较丰富，32K ×16bitFlash ，两路D/A ，1个全双工异步串行口（UART ）方便其跟其他为控制通信。

基于单片机超声波测距系统的设计1. 简介单片机超声波测距系统是一种用于测量目标物体距离的电子设备。

通过利用超声波传感器和单片机等技术，可以准确、快速地获取目标物体与传感器的距离。

本文将详细介绍基于单片机超声波测距系统的设计原理、硬件电路搭建和软件编程等方面的内容。

2. 设计原理2.1 超声波测距原理超声波测距原理基于声波的传播和反射。

系统通过超声波传感器向目标物体发射超声波脉冲，当超声波脉冲遇到目标物体并被反射回来时，系统即可通过测量发射和接收超声波之间的时间差来计算目标物体与传感器之间的距离。

2.2 单片机的作用单片机在超声波测距系统中充当着核心控制器的角色。

它负责接收来自超声波传感器的信号，根据时间差计算出距离，并通过显示屏或其他方式将测量结果展示出来。

此外，单片机还可以与其他硬件模块进行通信，实现更加复杂的功能。

3. 硬件电路搭建3.1 材料准备•单片机：选择一款适合的单片机作为控制器，如Arduino Uno。

•超声波传感器：常用的有HC-SR04型号的传感器。

•电源模块：提供系统所需的电源。

•连接线和面包板：用于连接各个硬件模块。

•显示模块（可选）：用于显示测量结果。

3.2 硬件连接根据超声波传感器和单片机的引脚定义，将它们正确地连接在一起。

一般情况下，超声波传感器需要连接到单片机的数字输入输出引脚和电源引脚上。

3.3 电源接入将电源模块连接到整个系统上，为单片机和超声波传感器提供所需的电源。

4. 软件编程4.1 软件环境准备安装Arduino IDE等开发环境，并确保能够正确地连接和上传程序到单片机。

4.2 程序编写在Arduino IDE中编写程序，实现测距功能。

以下是一个简单的示例代码：const int trigPin = 2; // 超声波传感器的Trig引脚连接到单片机的2号引脚const int echoPin = 3; // 超声波传感器的Echo引脚连接到单片机的3号引脚void setup() {pinMode(trigPin, OUTPUT);pinMode(echoPin, INPUT);Serial.begin(9600);}void loop() {long duration, distance;digitalWrite(trigPin, LOW);delayMicroseconds(2);digitalWrite(trigPin, HIGH);delayMicroseconds(10);digitalWrite(trigPin, LOW);duration = pulseIn(echoPin, HIGH);distance = duration * 0.034 / 2;Serial.print("Distance: ");Serial.print(distance);Serial.println(" cm");delay(500);}4.3 上传程序将程序上传到单片机，确保连接正常后，即可进行超声波测距。

超声波测距仪电路发表于2017年9月27日在下面：传感器电路此处描述的电路使用超声波振荡，并基于这些振荡在空气中的传播速度进行操作。

因此，如果测量了波传播的时间，我们可以轻松确定两点的距离。

使用的距离测量方法主要分为三类：a）通过机械手段。

b）通过光学手段。

c）通过电子方式。

几乎所有方法都基于某种形式的辐射，例如无线电波，光，声音或红外辐射。

给定这些辐射的传播速率，距离测量就是确定从一个点到另一个点的波跃迁时间的问题。

红外辐射主要用于长距离（几千米的数量级），因为它相对容易形成。

如果距离超过100公里，则使用电子设备，但其效果受大气条件和能见度等因素影响。

随着空间技术的发展，激光系统已与电光系统结合使用，以确定人造卫星的地面和近海。

单击此处下载上述电路的完整尺寸。

超声波测距仪声音，超声波和其他已知的频率波动在空气中具有某个已知的传播速度。

因此，传播目标发射机之间的距离所需的时间反之亦然，可以用来确定距离。

发射的波向分子提供一个起始脉冲，该分子以与传播速度（厘米/秒）相同的频率运行。

反射接收的信号提供呼气脉冲。

这样，分子给出了波传播的距离。

当然，由于我们只需要过渡距离，因此有必要减小距离的距离。

下图显示了我们在功能图中描述的内容。

发射器，接收器，具有数字指针的分子和振荡器，被发射和接收的脉冲激发或中断。

电路原理图发送器由构成桥接电路的门N1和N2组成。

US1超声转换器连接在2端口输出之间，以确保它们之间的18V交替峰峰电压（使用9V 电源）。

N1还充当由N3激励和去激励的振荡器。

它的频率由R1决定，并取决于所用逆变器的类型。

在这种结构中，使用了40 kHz TCO，但其他TCO仍能令人满意地工作。

振荡器的频率设置为尽可能接近40kHz的R1，因为这是逆变器的最大效率频率。

由于电路的实验特性，接收器非常简单。

两个连续的公共发射机电路（T5，T6）放大US2接收到的信号。

当T7的基极电压小于电源电压（-6V）时，T7充当阈值检测器，即T7是P2转子中的交流电压从峰值到峰值大于1.2V时IC3周围还有一个振荡器（R17，R18，P3和C9）。

超声波测距电路图超声波测距电路原理和制作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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。

本文所介绍的三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。

二、超声波测距原理1、超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

2、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。

超声波发生器内部结构如图1所示，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。

3、超声波测距原理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，途中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340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2图1超声波传感器结构这就是所谓的时间差测距法。

智能化超声波测距专用集成电路SB5227外围电路设计
SB5227输出的超声波信号很微弱，必须通过功率放大器才能驱动发送器。

一种典型的发送电路如图所示。

从SB5227第10脚输出的超声波信号，经过缓冲器F和功率放大器(VT1、VT2)驱动发送器。

VT1采用小功率晶体管，VT2可选功率场效应管。

利用变压器来驱动发送器:
接收电路：
该接收电路主要包括以下6部分：输入保护电路(C1、R1、VD1和VD2)；阻抗匹配及电流放大器(VT1)；两级电压放大器(VT2、IC1)；带通滤波器(L1、C6)；输出级放大器(VT3)；电压比较器(IC2)。

C1为隔直电容，R1为限流电阻。

VD1和VD2构成双向限幅过压保护电路。

VT1需采用J型场效应管，VT2与VT3选用小功率晶体管。

IC1为TL061型单运放，IC2为四路电压比较器LM339(现仅用其中一路)。

带通滤波器中的中心频率应与接收器的中心频率相同。

调节电位器RP可改变接收灵敏度，提高抗干扰能力。

常态下IC2输出高电平，当接收到超声波脉冲串的第一个上升沿时就输出低电平，送至SB5227的第8脚，使内部定时器停止计数。

对技术条件要求较高的接收电路，还可增加自动增益控制(AGC)、窗口自动搜索等电路。

超声波测距电路的实现方法电光学院105040562 毛臻摘要：随着单片机、DSP、FPGA、CPLD技术的不断成熟，各种智能测量系统不断涌现，测距电路可以用在工业生产、医疗技术、日常生活中各个方面，典型的应用如汽车倒车告警、机器人的自动避障行走、工业上的液位、井深、管道长度等场合，本文在介绍超声波测距原理的基础上总结并讨论现有的几种电路设计方法，并提出增大测量距离及改善系统性能的实现方法。

关键词：超声波；测距；FPGA实现1超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它是由与介质相接触的振荡源所引起的, 其频率在20KHz以上。

超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。

超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性,由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点,常用于测量物体的距离、厚度、液位等。

超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关,它在空气中的传播速度为340m/s。

发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,其所经历的时间长短与超声波传播的路程的远近有关,测试传输时间可以得出距长。

利用超声波特性、单片机控制、电子计数相结合可以实现非接触式测距。

由于超声波检测迅速、方便、计算简单,且不受光线、电磁波、粉尘等的干扰,其测量精度较高。

常用于桥梁、涵洞、隧道的距离检测中。

2使用超声波和使用激光测距的比较：基于以上介绍的超声波的特点不难区分它们的各自的适用场合，激光测距主要用于远程，如测月球到地球距离，或远距离无障碍测距，而且成本要比用超声波大，因为光速为3×10^8M/S，而一般市场上的单片机最高频率在十几至几十兆，（本人接触的ARM最大30M）如果测量的距离在十米左右，那么假设单片机别的都不做只是计数，出射光将在大约0.033us后返回，要求单片机CLK为1/0.033MHz，也就是说30M时钟频率的单片机刚发出出射激光的命令，光就已经在它的下个CLK脉冲来到了，更别提计数了，即使使用频率很高的单片机或其他器件如FPGA等在精度上将不能满足需要（通常在收发间隔中得到的计数脉冲越多精度越高）。

超声波测距仪的硬件电路图
AT89C2051通过外部引脚P1.6输出脉冲宽度为250μs，载波为40kHz的10个脉冲的脉冲群，以推挽形式加到变压器的初级，经升压变换推动超声波换能器发射出去。

在发射的同时，P1.7输出一个高电平启动，给电容C4充电。

发射结束时高电平翻转为低电平，C4开始对R2、R3组成的分压器放电并输出到比较器的负端。

超声波接收换能器将接收到的障碍物反射的超声波送到放大器进行放大，这是一个高增益、低噪声放大器，在对放大后的信号进行检波后将检测回波送到比较器的正输入端。

发射时P1.7输出的电平可以抑制比较器的翻转，这样就可以抑制发射器发射的超声波直接辐射到接收器而导致错误检测。

超声波测距仪的设计
超声波测距仪的设计一般包含超声发射器、接收器、计时
电路和显示电路。

下面将对其各组成部分进行具体说明。

1. 超声发射器：
超声发射器是超声波测距仪的关键组件，通常由压电陶瓷
传感器构成。

它能将电能转化为超声波能量。

通过施加电压，压电陶瓷会振动产生超声波，并向周围环境发射。

2. 接收器：
接收器是超声波测距仪的另一个重要组成部分。

它通常也
由压电陶瓷传感器构成。

当超声波波达到测距仪的目标物
体后，一部分超声波会被目标物体反射回来，被接收器接收。

接收器会将接收到的超声波转化为电信号。

3. 计时电路：
计时电路用于测量从超声发射到接收到反射信号之间的时
间间隔，根据声速和时间间隔可以计算出目标物体的距离。

计时电路通常由逻辑门、计数器、时钟等组成。

4. 显示电路：
显示电路用于显示目标物体的距离。

一般可以通过数码显
示器或者液晶显示屏将测得的距离进行显示。

显示电路通
常由数码显示器、驱动电路、控制电路等组成。

除了以上组成部分，还可以加入一些其他功能，例如校准
电路、报警电路等，以提高测距仪的精度和实用性。

设计
超声波测距仪需要对各个组成部分进行合理的配置和调试，使得整个测距仪可以稳定、准确地测量目标物体的距离。