超声波测距仪的工作原理2

超声波测距

(程序 原理图 安装图)

概述

超声波测距学习板，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0.27~4.00m，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。

超声波测距原理

超声波发生器内部结构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本时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法：① 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离；② 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t，故被测距离为 S=1／2vt。本测量电路采用第二种方案。由于超 声波 的声速 与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变 。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。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12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。

CJ-3A超声波学习板采用AT89C51或AT89S51单片机,晶振:12M,单片机用P1.0口输出超声波换能器所需的40K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,显示电路采用简单的4位共阳LED数码管,断码用74LS244,位码用8550驱动.

超声波测距的算法设计: 超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15℃时）。X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，则有340m×0.03S=10.2m。由于在这10.2m的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离，

超声波测距器的系统框图如下图所示：

硬件部分

CJ-3超声波学习板采用AT89C51或AT89S51单片机,晶振:12M,单片机用P1.0口输出超声波换能器所需的40K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,显示电路采用简单的4位共阳LED数码管,断码用

74LS244,位码用8550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P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，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。

1.单片机系统及显示电路

单片机采用89S51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端口输出超声波转化器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口检测超声波接受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三极管驱动。单片机系统及显示电路如下图所示

.

超声波发射电路原理图

超声波接收电路

:

使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db。以下是CX20106A的引脚注释。

1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。

2脚：该脚与地之间连接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R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1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R1=4.7Ω，C1=1μF。 3脚：该脚与地之间连接检波电容，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：该脚与电源间接入一个电阻，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，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。

6脚： 该脚与地之间接一个积分电容，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，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。

8脚：电源正极，4.5～5V。

超声波专用发射接收头 标有T字样的是发射头，标有R字样的是接收头

产品性能特点：

板上自带：超声波收发传感器、接收放大电路、四位LED数码显示、四位按键，电源部分自带整流、滤波、稳压电路，允许交流7～15V或者直流9～16V输入，经过实际测试，测量范围可达27～300厘米，测量精度为1厘米。因为我们能提供完整的源程序，客户不但可以学习超声波测距的知识，还可以直接将这项技术用于产品开发，是不可多得的资料。

软硬件调试及性能

超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用Φ16的超声波换能器TCT40-16F1（T发射）和TCT40-16S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C4的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。

硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为0.07～5.5m，测距仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。

后续工作需实验后才能验证

根据参考电路和集成的电路器件测距范围有限10m以内为好。

以下是部分汇编源程序，

购买我们产品后我们用光盘将完整的单片机汇编源程序和烧写文件送给客户。

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; USE BY :超声波测距器 laosong

; IC :AT89C51

; TEL :

; OSCCAL :XT (12M)

; display :共阳LED显示

; (仅供参考)

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;测距范围0.27-4M，堆栈在4FH以上，20H用于标志

;显示缓冲单元在40H-43H，使用内存44H、45H、46H用于计算距离 ;

VOUT EQU P1.0 ; 红外脉冲输出端口

speak equ p1.1

;********************************************

;* 中断入口程序 *

;********************************************

;

ORG 0000H

LJMP START

ORG 0003H

LJMP PINT0

ORG 000BH

reti

ORG 0013H

RETI

ORG 001BH

LJMP INTT1

ORG 0023H

RETI

ORG 002BH

RETI

;

;********************************************

;* 主 程 序 *

;********************************************

;

START: MOV SP,#4FH

MOV R0,#40H ;40H-43H为显示数据存放单元（40H为最高位） MOV R7,#0BH

CLEARDISP: MOV @R0,#00H

INC R0

DJNZ R7,CLEARDISP

MOV 20H,#00H

MOV TMOD,#11H ;T1为 T0为16位定时器

MOV TH0,#00H ;65毫秒初值

MOV TL0,#00H

MOV TH1,#00H

MOV TL1,#00H

MOV P0,#0FFH

MOV P1,#0FFH

MOV P2,#0FFH

MOV P3,#0FFH

MOV R4,#04H ;超声波肪冲个数控制（为赋值的一半） SETB PX0

SETB ET1

SETB EA

SETB TR1 ;开启测距定时器

start1: LCALL DISPLAY

JNB 00H,START1 ;收到反射信号时标志位为1

CLR EA

LCALL WORK ;计算距离子程序

clr EA

MOV R2,#32h;#64H ;测量间隔控制（约4*100=400MS） LOOP: LCALL DISPLAY

DJNZ R2,LOOP

CLR 00H

setb et0

mov th0,00h

mov tl0,00h

SETB TR1 ;重新开启测距定时器

SETB EA

SJMP Start1

;

****************************************************

见光盘

;****************************************************

;* 距离计算程序 (=计数值*17/1000cm) *

;****************************************************

;

work: PUSH ACC

PUSH PSW

PUSH B

MOV PSW, #18h

MOV R3, 45H

MOV R2, 44H

MOV R1, #00D

MOV R0, #17D

LCALL MUL2BY2

MOV R3, #03H

MOV R2, #0E8H

LCALL DIV4BY2

LCALL DIV4BY2

MOV 40H, R4

MOV A,40H

JNZ JJ0

MOV 40H,#0AH ;最高位为零，不点亮

JJ0: MOV A, R0

MOV R4, A

MOV A, R1

MOV R5, A

MOV R3, #00D

MOV R2, #100D

LCALL DIV4BY2

MOV 41H, R4

MOV A,41H

JNZ JJ1

MOV A,40H ;次高位为0，先看最高位是否为不亮 SUBB A,#0AH

JNZ JJ1

MOV 41H,#0AH ;最高位不亮，次高位也不亮 JJ1: MOV A, R0

MOV R4, A

MOV A, R1

MOV R5, A

MOV R3, #00D

MOV R2, #10D

LCALL DIV4BY2

MOV 42H, R4

MOV A,42H

JNZ JJ2

MOV A,41H ;次次高位为0，先看次高位是否为不亮 SUBB A,#0AH

JNZ JJ2

MOV 42H,#0AH ;次高位不亮，次次高位也不亮

JJ2: MOV 43H, R0

POP B

POP PSW

POP ACC

RET

END

产品性能特点：

成品板上自带：超声波收发传感器、接收放大电路、四位LED数码显示、四位按键（四个按钮和蜂鸣器属于功能预留，程序中无定义），电源部分自带整流、滤波、稳压电路，允许交流7～15V或者直流9～16V输入，经过实际测试，测量范围可达27～250厘米，测量精度为1厘米。因为我们能提供完整的源程序，客户不但可以学习超声波测距的知识，还可以直接将这项技术用于产品开发，是不可多得的资料。 答疑解惑：

1、为什么你们选40KHZ的超声波传感器？

因为超声波在空气中传播时衰减很大，衰减的程度与频率成正比，但是频率越高则分辨力也会越高，所以短距离测量时一般选频率高的传感器（100KHZ以上），长距离测距只能选频率低的传感器。

2、为什么你们的最小检测距离为27厘米？

为了防止超声波发射传感器发出超声波沿电路板或者外壳直接进入超声波接收传感器内引起误判断，所以程序要求超声波发射若干时间后必须停止若干时间，这个时间大约是超声波在空气中传播20多厘米的

时间，这段时间内是不接受信号的，主要就是为了躲开直接传导的信号避免引起误判断。

3、电路板上的四个按钮和蜂鸣器有啥作用？

这是为后续开发应用所预留的，例如你可以在程序中定义为开关功能，按下一个按键，电路板开始测距、按下另一个按键电路板停止测距，或者定义为多档距离报警设定，当检测到低于设定距离时，驱动蜂鸣器报警。其实我们的电路板您也可以加以改进，例如用1602的液晶模块代替数码管显示、增加语音电路实现语音播报探测距离等等。

4、为什么我的板不管前面有无遮挡物总是显示27呢？

这是因为标有T字样的超声波接收头没有收到正确的回波信息导致工作异常引起的，我们发现接收头比较娇嫩，轻微的磕碰就会导致内部器件错位影响正常工作，但是你只要稍稍旋转或者上下拨动一下接收头，很多情况就会排除故障又能正常工作了。