超聲波測距儀的設計

摘 要：超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，所以經常用超聲波來測量距離，如測距儀和物體測量儀，超聲波測距儀裝置上有設置瞄點裝置，只要把儀器對準要測量的目標，就會出現一點在測距儀的顯示屏幕上，主要是通過聲速來測量的，肉眼看不見射出的線

關鍵詞：超聲波；測距儀；設計

中圖分類號：TH761.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 10-0000-01

一、原理圖繪制

我們給測距系統設計了兩種顯示電路，一種是數碼管顯示的人機接口；另一種是LCD1602字符型液晶屏顯示接口，讀者朋友可以根據自己的需求來修改程序，以使其通過不同的媒介顯示相關信息。本文中，我們的例程是用4位數碼管顯示的，我們可以看到顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數碼管，段碼用74LS245驅動，位碼用PNP三極管Q1、Q2、Q3、Q4驅動，電路圖中標號LCD1為1602液晶顯示屏接口，電位器RP2用來調節液晶顯示對比度。

單片機系統及顯示電路如圖1所示。

前面我們講到過，我們用單片機的P1.0口輸出超聲波換能器所需的40K方波信號，如圖3所示。

超聲波接收電路，如圖4所示。

二、超聲測距原理

超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離（s），即：s=340t/2。這就是所謂的時間差測距法。超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發射后遇到障礙物反射回來的時間，根據發射和接收的時間差計算出發射點到障礙物的實際距離。

超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業現場等的距離測量。

超聲波在氣體、液體及固體中以不同速度傳播，定向性好、能量集中、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強。超聲波能以一定速度定向傳播、遇障礙物后形成反射，利用這一特性，通過測定超聲波往返所用時間就可計算出實際距離，從而實現無接觸測量物體距離。超聲波測距迅速、方便，且不受光線等因素影響，廣泛應用于水文液位測量、建筑施工工地的測量、現場的位置監控、振動儀車輛倒車障礙物的檢測、移動機器入探測定位等領域。本文設計的數字式超聲波測距儀通過對超聲波往返時間內輸入到計數器特定頻率的時鐘脈沖進行計數，進而顯示對應的測量距離。

超聲波發生器內部結構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時，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波本時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，就成為超聲波接收器。在超聲探測電路中，發射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發射超聲的時間間隔，被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個數與被測距離成正比。（1）取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓（其幅值基本固定）與距離成正比，測量電壓即可測得距離；（2）測量輸出脈沖的寬度，即發射超聲波與接收超聲波的時間間隔t，故被測距離為S=1/2vt。本測量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關，如果溫度變化不大，則可認為聲速基本不變。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機負責計時，單片機使用12.0M晶振，所以此系統的測量精度理論上可以達到毫米級。

超聲波測距的算法設計：超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15℃時）。X2是聲波返回的時刻，X1是聲波發聲的時刻，X2-X1得出的是一個時間差的絕對值，假定X2-X1=0.03S，則有340m×0.03S=10.2m。由于在這10.2m的時間里，超聲波發出到遇到返射物返回的距離，

超聲波測距儀的系統框圖如圖5所示：

本產品采用STC89C51單片機，晶振：12M，單片機用P1.0口輸出超聲波換能器所需的40K方波信號，利用外中斷0口監測超聲波接收電路輸出的返回信號，顯示電路采用簡單的4位共陽LED數碼管，斷碼用74LS244，位碼用8550驅動。主要由單片機系統及顯示電路、超聲波發射電路和超聲波檢測接收電路三部分組成。采用STC89C51來實現對CX20106A紅外接收芯片和TCT40-10系列超聲波轉換模塊的控制。單片機通過P1.0引腳經反相器來控制超聲波的發送，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當INT0引腳的電平由高電平變為低電平時就認為超聲波已經返回。計數器所計的數據就是超聲波所經歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。同時，我們的實驗板支持串口ISP在線下載程序，如果您的計算機沒有串口，該板支持USB轉接線進行ISP下載的方式，非常方便；板載LCD1602液晶顯示屏接口，支持電路外擴展，板上已預留40芯外擴展接口。

使用CX20106A集成電路對接收探頭受到的信號進行放大、濾波。其總放大增益80db。以下是CX20106A的引腳注釋。

1腳：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。

2腳：該腳與地之間連接RC串聯網絡，它們是負反饋串聯網絡的一個組成部分，改變它們的數值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R1或減小C1，將使負反饋量增大，放大倍數下降，反之則放大倍數增大。但C1的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數為R1=4.7Ω，C1=1μF。

3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數為3.3μf。

4腳：接地端。

5腳：該腳與電源間接入一個電阻，用以設置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200kΩ時，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，則中心頻率f0≈38kHz。

6腳：該腳與地之間接一個積分電容，標準值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。

7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，推薦阻值為22kΩ，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時則產生下降。

8腳：電源正極，4.5～5V。

三、PCB圖的繪制

繪制注意事項：（1）每個元件需根據其外形設計封裝，可直接從封裝庫中添加，或自己編輯其外形封裝；（2）電源口的安放位置在板子的左側邊緣位置，便于使用時安裝方便；（3）注意三極管管腳的排列順序，防止使三極管無法安裝；（4）發射器與接收器為了便于使用及焊接，其焊盤可以適當加大；（5）每個元件的安放位置需考慮其外形及在電路中的作用，找到合理的安放點。

[作者簡介]姜麗軍（1977-），女，講師，本科，研究方向：電子應用技術。