超声波测距器的设计

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1、超声波测距器的设计1功能要求设计一个超声波测距器，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。要求测量范围在0.10～4.00m，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。2方案论证我们知道，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。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日常使用的要求。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，

2、一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、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。目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，决定采用AT89C51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，超声波测距器系统设计框架如图1。图1超声波测距器系统设计框图3系统硬件电路的设计硬件电路主要分为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。

3、1.1单片机系统及显示电路单片机采用89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，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方渡信号，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8550驱动。单片机系统及显示电路如图8所示。1.2超声波发射电路超声波发射电路原理图如图4．3所示。发射电路主要由反向器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz

4、方渡信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后进到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方渡信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R10、R11，一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部结构如图4.4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

5、有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声渡发生器；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，这时它就成为超声渡接收换能器了。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。4．3．3超声波检测接收电路集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路(如

6、图45)。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。4．4系统程序的设计超声波测距器的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。我们知道c语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率并且容易精确计算程序运行的时间，而超声波测距器的程序既有较复杂的计算(计算距离时)，又要求精确计算程序运行时间(超声波测距时)，所以控制程序可采用c语言和汇编语言混合编程

7、。下面对超声波测距器的算法、主程序、超声波发生子程序和超声波接收中断程序逐一作介绍。4．4．1超声波测距器的算法设计图4．6示意了超声波测距的原理，即超声波发生器T在某一时刻发出一个超声渡信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为：d=s/2=(c×t)/2其中d为被测物与测距器的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。图4.6超声波测距原理图由于超声波

8、也是一种声波，其声速c与温度有关，表4.1列出了几种不同温度下的超声波声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。表4.1不同温度下超声波声速表温度/℃-30-20-100102030100声速c/(m·s-1)31331932532333834434