1课题设计目的及意义
1设计的目的
随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目
前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展
而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用
的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，
实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目
标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。
2设计的意义
随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大
发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水
系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改
造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污
水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，
保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。
控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。这就是我设计超声波测距仪的意义。
2.设计思路
1硬件电路设计
硬件电路的设计主要包括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。单片机采用 AT89C51或其兼容系列。采用 12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0 端口输出超声波换能器所需的 40kHz 的方波信号，利用外中断 0 口监测超声波接收电路输出的返
回信号。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 9012 驱动。
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。采用 AT89S51来实现对超声波模组进行控制，然后单片机不停的检测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。
2超声波测距仪的设计思路
超声波是指频率高于20KHz 的机械波。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）。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
测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距
适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为 331.45 米/ 秒，由单片机负责计时，单片机使用 12.0MHZ 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距
离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也
能达到要求。
超声波发生器可以分为两类：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。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。
3超声波测距原理
发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器
接收，其往返时间为 t ，由 s=vt/2 即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速
v 与温度有关，下表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。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。
4 超声波发射和接收模组（V2.0）
本文采用的超声波测距模组集发射和接受为一体，内部超声波传感器谐振频率 40KHz，模组传感器工作电压 4.5V~9V，模组接口电压 4.5V~5.5V 。提供三种测距模式，选择跳线可以选择短距、中距和可调距。本实验采用短距（ 20~100cm）精度 1cm。模组结构示意图如下：
.
应用时只需要用 J5 的第 1 个口与单片机 Vcc 连接，最后一个口与单片机 GND 连接，第 4 个接口与单片机的 INT0 口相连接， J4 的第 3 个接口与单片机 1.0 口连接，同时将 J1 跳线设置为短距模式， J2 跳线设置为非外部电源供电方式（此时开发板通过 10PIN 排线为模组供电，板上 J5 选择 5V，要把 J2 跳接到 5v 的一端）。这就完成了模组硬件的连接。超声波谐振频率调理电路图如下：
由单片机产生 40KHz 的方波由 P1.0 口送出，连接模组接口 J4 到模组的
CD4049，而后面的 CD4049则对 40KHz频率信号进行调理，以使超声波传感器产
生谐振。
3 单片机最小系统
其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作。单片机最小系统主要由AT89S51单片机、外部振荡电路、复位电路和 +5V 电源组成。在外部振荡电路中，单片机的 XTAL1和 XTAL2
管脚分别接至由 12MHZ晶振和两个 30PF电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟
脉冲。在复位电路中，单片机RESET管脚一方面经20 F 的电容接至电源正极，实现上电自
动复位，另一方面经开关 s 接电源。其主要功能是把 PC初始化为 0000H，是单片机从 0000H 单
元开始执行程序，除了进入系统的初始化之外，当由于程序出错或者操作错误使系统处于
死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动，因此，复位电路是单片机系统中不
可缺少的一部分。
4单片机测距原理
