【導讀】摘要：21世紀是一個科技的時代，單片機的出現(xiàn)又令工業(yè)社會有了前所未有的發(fā)展。超聲波測距器可以應用于一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可以用于如液位、井。深、管道長度的測量等場合。超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機械波的范疇。質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。系統(tǒng)的設計主要包括兩部分，即硬件電路和軟件程序。發(fā)射電路、接收電路和顯示電路，另外還有復位電路和LED控制電路等。單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路。模塊化設計，由信號發(fā)射和接收、供電、溫度測量、顯示等模塊組成。發(fā)射探頭的信號經(jīng)放。溫度測量后送到單片。機,通過程序?qū)λ俣冗M行校正,結(jié)合兩者實現(xiàn)超聲波測距的功能。它控制單片機進行數(shù)據(jù)發(fā)送。此外供電電源也會使測量差生很大的誤差?？紤]了這些因素，并給出了一些解決方案。

　　

【正文】 。 圖 ，即超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出的一個超聲波信號，當超聲波遇到被測物體后發(fā)射回來，就被超聲波接收器 R 所接收。這樣只要計算出發(fā)生信號到接收返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。 圖 超聲波測距原理圖 超聲波測距的 計算公式為： D=S/2=CT/2。式中 D 為被測物體與測距 器的距離，也就是我們要求的未知量； S 為聲波的來回路程； C 為聲速； T 為聲波來回所用的時間。 聲速 C 與溫度有關，假如溫度變化不大，則可以認為聲速是基本上不變的，不同溫度下的超聲波聲速見圖 。如果測距精度要求很高，則應該通過溫度補償?shù)姆椒右猿C正。聲速確定后，只要測得超聲波往返時間，即可求得所要求得的距離。在系統(tǒng)中加入溫度傳感器來監(jiān)測環(huán)境溫度，可以進行溫度補償。這里可以用 DS18B20 測量環(huán)境溫度，根據(jù)不同的環(huán)境溫度來確定聲速，以提高測距工作的穩(wěn)定和精確性。為了增強系統(tǒng)的可靠性，應當在硬件上采用抗干擾措 施。 圖 不同溫度下的超聲波聲速 超聲波的使用方法 及超聲波換能器的簡單介紹 使 TRIG=0,最少延遲 10us 的時間 ,然后 TRIG=1， 超聲波模塊此時開始啟動一個測量周期 ， 發(fā)射若干個 40khz 的聲波 ， 然后啟動 10ms 的定時器等待反射波 ,如果收到反射波 ， 模塊的 ECHO 輸出一個寬度為 150us 的負脈沖 ， 從 TRIG=1 到 ECHO=0 的時間即為從發(fā)射到收到發(fā)射波的時間 完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲波探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片 組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多用作探測方面。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。由于晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能都是不同的，我們使用前必須預先了解清楚該探頭的性能參數(shù)。 超聲波傳感器的主要性能指標包括： 工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓 的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 15 工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不會失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。 靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高。 人類能聽到的聲音頻率范圍為： 20Hz～ 20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即 20Hz 以下頻率的聲音稱為低頻聲波， 20kHz 以上頻率的聲音稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射 能力越強。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為 340m/s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡便。我們選用壓電式超聲波傳感器。它的探頭常用材料是壓電晶體和壓電陶瓷，是利用壓電材料的壓電效應來進行工作的。逆壓電效應將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應，將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可作為接收探頭。 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多種超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器大體可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生 超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫 壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。 超聲波測距對不同物體的影響 超聲波就是頻率高些的聲音 ,不同材料 ,形狀的物體對聲音的吸收率不同 ,反射角度不同 ，只有反射到接收頭 (也就是超聲波發(fā)射的方向 )的能量才會被探測到 ， 所以不同物體測量的有效測量距離不同。一般來說 ， 平面光滑的物體 (如鏡面 )反射距離最遠 ,通常說的最大探測距離指的就是這類物體 ， 細小的物體探測距離很近很多 ， 如細棉線 ， 面積小 ， 而且吸收聲音 ,就探測不到。 表 給出了超聲波對于不同物體的最大探測距離。 表 . 超聲波對于 實際物體的最大探測距離 圓珠筆 200mm 手 400mm 1mm 粗 制 塑料套的電線 30mm 游標卡尺 450mm 人體（穿厚衣服） 400mm 墻面 1200mm 1mm 粗細棉線 探測不到 竹牙簽 40mm 基于單片機的超聲波測距器的系列設計原理 系統(tǒng)主程序設計原理 主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器的 工作模式為 16位的定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位 EA并給硅示端口 P0和 P2清 0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序發(fā)送出一個超聲波脈16 沖，為避免超聲波從發(fā)射器直 接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲 （ 這也是測距器會有一個最小可測距離的原因 ） 后，才打開外中斷 0接收 返同 的 超聲波信號。由于采用12 MHz的晶振，機器周期為 1 Ixs， 當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器 TD中的數(shù) (即超聲波來回所用的時間 )按下式計算即可測得被測物體與測距儀之間的距離，設計時取 20℃ 時的聲速為 344 m/s，則有： d=(‰) /2=172X1D/10 000 cm(其中 “ ‰ ” 為計 數(shù)器喲的計數(shù)值 )測出距離后的結(jié)果將以十進制 BCD碼方式以 LED顯示，然后再發(fā)射超聲波脈沖重復測 量此過程。主程序框圖如圖 。 圖 超聲波發(fā)射主程序框圖 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 P1． 0 端口發(fā)送 2 個左右的超聲波信號頻率約 40 kHz的方波，脈沖寬度約為 12 斗 s，同時把計數(shù)器 TD 打開進行計時。超聲波測距器主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號 (INT0 引腳出現(xiàn)低電平 )，立即進入中斷程序。進入該中斷程序后就立即關閉計時器 TD停止計時，并將測距成功標志字賦值 1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返 回信 號，則定時器喲溢出中斷將外中斷 0 關閉，并 將測距成功標志字賦值 2 以表示此次測距不成功 。 、傳感器設計 超聲波測距技術(shù)經(jīng)過幾年的研究和發(fā)展，已經(jīng)有了很多比較成熟的技術(shù)和設計方案，使本次設計能有很多可借鑒的資料，從中學到了很多寶貴的知識。對自己設計電路有很大幫助。 超聲波發(fā)射電路，要求功率盡量大些，發(fā)射距離大于 米，電路力求簡單實用。 40kHZ 超聲波發(fā)射電路之一，電路中晶體管 VT VT2 組成強反饋穩(wěn)頻振蕩器，振蕩頻率等于超聲波換能器 T4016 的共振頻率。 T4016 是反饋耦合元件，對于電路來說又是輸出換能器。 T4016 兩端的振蕩波形近似于方波，電壓振幅接近電源電壓。 S 是電源開關，按一下 S，便能驅(qū)動 T4016 發(fā)射出一串 40kHZ 超聲波信號。電路工作電壓 9V，工作電流約25mA。發(fā)射超聲波信號大于 8m。電路不需調(diào)試即可工作。這樣電路很簡單與實用 40kHZ 超聲波發(fā)射電路之二，由 VT VT2 組成正反饋回授振蕩器。電路的振蕩頻率決定于反饋元件的 T4016，其諧振頻率為 40kHZ177。 2kHZ。頻率穩(wěn)定性好，不需作任何調(diào)整，并由 T4016 作為換能器發(fā)出 40kHZ 的超聲波信 號。電感 L1 與電容 C2 調(diào)諧在 40kHZ 起作諧振作用。本電路適應電壓較寬（ 3~12V），且頻率不變。電感采用固定式，電感量 。整機工作電流約 25mA。發(fā)射超聲波信號大于 8m 40kHZ 超聲波發(fā)射電路之三，它主要由四與非門電路完成振蕩及驅(qū)動功能，通過超聲17 換能器 T4016 輻射出超聲波去控制接收機。其中門 YF1 與門 YF2 組成可控振蕩器，當 S按下時，振蕩器起振，調(diào)整 RP 改變振蕩頻率，應為 40kHZ。振蕩信號分別控制由 YFYF3 組成的差相驅(qū)動器工作，當 YF3 輸出高電平時， YF4 一定輸出低電平； YF3 輸出低 電平時， YF4 輸出高電平。此電平控制 T4016 換能器發(fā)出 40kHZ 超聲波。電路中 YF1~YF4采用高速 CMOS 電路 74HC00 四與非門電路，該電路特點是輸出驅(qū)動電流大（大于 15mA），效率高等。電路工作電壓 9V，工作電流大于 35mA，發(fā)射超聲波信號大于 10m 40kHZ 超聲波發(fā)射電路之四，由 LM555 時基電路及外圍元件構(gòu)成 40kHZ 多諧振蕩器電路，調(diào)節(jié)電阻器 RP 阻值，可以改變振蕩頻率。由 LM555 第 3 腳輸出端驅(qū)動超聲波換能器T4016，使之發(fā)射出超聲波信號。電路簡單易制。電路工作電壓 9V，工作電流 40~50mA。發(fā)射超聲波信號大于 8m。 LM555 可用 NE555 直接替代，效果一樣。 經(jīng)過認真仔細的考慮和分析，本人選擇使用 NE555 加外圍電路構(gòu)成多諧振蕩器來產(chǎn)生頻率為 40KHz 的方波，再經(jīng)過整形放大后來驅(qū)動超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波。 NE555 是一種用途很廣的時基單元集成電路，其工作電壓范圍較寬，可在 ～ 18V 范圍內(nèi)工作，其驅(qū)動電流可達 200mA。 NE555 的內(nèi)部中心電路是三極管 Q15 和 Q17加正反饋組成的 RS 觸發(fā)器。輸入控制端有直接復位 Reset 端，通過比較器 A1，復位控制端的 TH、比較器 A2 置位控制的 T。輸出端為 F，另外還有集電極開路的放電管 DIS。它們控制的優(yōu)先權(quán)是 R、 T、 TH。利用 NE555 可以組成相當多的應用電路，甚至多達數(shù)百種應用電路，在各類書刊中均有介紹，例如家用電器控制裝置、門鈴、報警器、信號發(fā)生器、電路檢測儀器、元器件測量儀、定時器、壓頻轉(zhuǎn)換電路、電源應用電路、自動控制裝置及其它應用電路都有著廣泛的應用，這是因為 NE555 巧妙地將模擬電路和數(shù)字電路結(jié)合在一起的緣故。 本次設計中 NE555電路的工作原理是：單片機 TXD 口發(fā)出低電平，三極管 Q5 為 PNP管所以導通， C 極向外輸出高電平。 555 芯片 8 腳接到高電平開始工作， 4 腳被拉高，多諧振蕩電路不工作，當接到單片機的低電平信號后振蕩器開始工作。 Vcc 經(jīng)外接電阻 R1 和R2 向電容 C 充電，當 C 上的電壓 Vc 上升到 2Vcc/3 時，反相比較器 A1 翻轉(zhuǎn)輸出低電平，RS 觸發(fā)器復位，即 V＝ 0， 3 腳輸出為 “ 0” ，則三極管導通， C 經(jīng)三極管和 P1 放電，當Vc 下降到 Vcc/3 時，同相比較器 A2 翻轉(zhuǎn)輸出低電平，即 S＝ 0， RS 觸發(fā)器置位， 3 腳輸出變?yōu)?“ 1” ，三極管又截止， C 又開始充電，如此周而復始，輸出端便可獲得周期性的矩形脈沖波， NE555 的內(nèi)部電路。由電路可知電容 C 的放電時間 t1＝ R2Cln2，充電時間 t2＝（ R1+R2） Cln2，即可得出輸出脈沖的頻率為： f＝ 1/t1+t2。所以調(diào)節(jié) R1 和 R2 即可改變脈沖頻率使之等于 40KHz 為了使 40KHz 的方波信號更為可靠，要對其進行整形及放大。信號由 NE555 的 3 腳向外輸出，經(jīng)過二極管 D2 整形，濾去低于低電平 的部分，只保留零電平以上部分。整形后的信號經(jīng)由三極管 Q Q2 放大，此時的信號已經(jīng)很可靠，可以滿足本次設計的需要。信號由 OUT 口輸出，送入超聲波探頭中。此外在超聲波發(fā)射電路中還加入了消除余振部分以保證電路可以更好的為超聲波發(fā)射器 提供信號，也使測量結(jié)果更為精確。因為超聲波探頭是一個感性元件，在一定程度上會表現(xiàn)出電感的性質(zhì)。所以當發(fā)射電路停止向其輸入脈沖信號后，如果沒有合適的能量釋放回路，則在其感性的作用下，超聲波探頭內(nèi)部振蕩仍會持續(xù)一段時間，仍然發(fā)射超聲波，會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。加入這個電路就是為了在停止發(fā)送超聲波的時候?qū)l(fā)射器內(nèi)部的能量釋放到地，使其立即停止工作。單片機控制發(fā)送超聲波的 TXD 口和消除余振的 INT0 口都是 P3 口的低四位，只需要由程序控制兩個管腳輸出相同的電平。在 TXD 口為高電平時停止發(fā)射超聲波，此時 INT0 口也為高電 平，使得三極管 Q3 導通，即打開消除余振功能，將剩余的能量接地。兩個動作幾乎是同時的，可以提高此后計時的準確性。 另外一種 超聲波發(fā)射電路主要由六反相器 74LS04 組成的推挽電路和超聲波發(fā)射傳感器18 構(gòu)成。超聲波發(fā)射電路如圖 所示 。 單片機 端口向外輸出超聲波脈沖信號，該信號一路經(jīng)一級反相器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩極反相器后送到超聲波換能器的另一個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端 則 采用 的是 兩個反相器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。其中的上拉電阻 R R2。一方面可以提高反相器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可 以增加超聲波換能器的阻尼效果，