什么是超声波测距超声波是指超过人的听觉范围以上(16KHZ)的声波。近二、三十年,特别是近十年来，由于电子技术及压电陶瓷材料的发展，使超声检测技术得到了迅速的发展。超声技术是一门以物理、电子、机械、及材料学为基础的通用技术之一。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。超声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性（声速、衰减、反射、声阻抗等）来实现对非声学量（如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等）的测定。它的基本原理是基于超声波在介质中传播时遇到不同的界面，将产生反射，折射，绕射，衰减等现象，从而使传播的声时，振幅，波形，频率等发生相应变化，测定这些规律的变化，便可得到材料的某些性质与内部构造情况。与传统超声技术完全不同，新的超声技术具有以下特点：在不破坏媒质特性的情况下实现非接触性测量，环境适应能力强，可实现在线测量。 1．2 超声波发生器的种类
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电器方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波，电器方
式包括压电型，磁致伸缩型和电动型等；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。目前较为常用的是压电式超声波发生器。雅典市超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。结构如下图所示
图1-1 超声波传感器结构图
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有震荡频率时，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，如果两电极间外未加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电晶片做震动，将机械能转换为点信号，这时它就成为超声波接受器了。
2 研究的意义
2.1 超声波用于距离测量的优势
由于超声波频率较高，沿直线传播，绕射小，穿透力强，指向性强，传输过程中衰减少，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，遇到杂质或分界面时会产生反射波，因而超声波经常用于距离的测量。超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播，它的应用就是按照这两个特点展开的。
超声波与一般声波比较，它的振动频率高，而且波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。
2.2 研究的意义
本设计采用单片机来实现智能超声波测距，虽其在功能上是不能与商品的，高精度的智能超声波测距仪相比的，但优点在于系统规模较小，器件更换容易，成本低，有一定灵活性。但不适宜用于测量过于精确或者过大的距离，容易产生误差。
3 研究的关键技术3.1 频率发生本设计中共用到了两个重要的频率,为了实现输出频率的精确性,在设计时用到了单片机,因为频率发生电路是整个电路的核心,有单片机发生的频率必须准确,否则测得的距离显示会产生很大误差。在考虑整体方案的时候，也想到用一片单片集成电路来完成频率信号的产生及其分类工作，也完全可以实现电路的功能，但是要想实现高精度要求，有些困难。最后还是选择用单片机来完成频率的产生工作。第一个频率，超声波的发射中心频率，信号本来就是40kHz，并由单片机的P3．0口输出。 这是由单片机内部的定时器由软件编程所产生，具体需要由程序来设定。
第二个频率就是单片机进行数码显示的计数频率，在计算之前首先要明确我们要设计的超声波测距精度是多少，而在本设计中，设计精度为lcm，也是0.01m，超声波发射器的声波传播到反射物，再由反射物反射到接收器，所传播的距离为营养块2倍测量距离，而大家知道，声波在标准气压下15℃的传播速度为341m／s，因此，我们要设计成在一个时钟周期内超声波所传播的距离为0.02mm，这样便可以计算出定时器的溢出频率是341／0.02=17.05×；10 ，也就是17.05kHz，这样在一个时钟周期内所测的距离便为0.01m。N个周期所测的距离为N×；0.01m，N个周期有N个方脉冲，也就是说，计数器测得的脉冲数N即为被测距离，不过其单位为倍速链组装线0.01m，因此应把计数显示器的小数点点在百位数和个位数之问，那么示值是以“米”为单位，其最大显示值为9.99m。
4 设计方案
4.1 实现功能
本设计主要的实现功能如下：
由单片机产生频率为40kHz的方波脉冲信号，超声波发射端发出信号，遇到障碍物返回，被接收端接收到。由单片机计算出探头与障碍物之间的距离，这就是被测距离。
技术指标：
设计精度为lcm，也就是0.0lm。可测量距离由0m至9.99m。
4.2 系统结构
系统的基本组成包括：单片机（89C2051），LCD（数码管显示），集成运放（CX20106），集成放大器（LM386），超声波发射，接收探头。
智能超声波距离提示器硬件结构框图如下图：
4.3 系统方案
要使整个系统能够正常、顺利的工作，就得有一个好的硬件和软件。
本方案以单片机ATMEL 89C2051为核心，通过对其进行软件编程，实现该单片机对其外围电路的适时控制，并提供给外围电路各种所需的信号，包括频率振荡信号、数据处理信号等等，大大简化了外围电路的设计难度，同时更重要的是该种设计方案大大节省了设计成本，并且由于是采用软件编程技术，所以其移植性能好，在设计电路时可以将其他更多的功能设计进去，而我们在设计电路板时就可以根据自己的设计目的焊接元件。
在初始方案设计时，我打算在超声波发射端使用RS触发器CD4013作为门控电路，当R=1；(S=0)时复位，即Q=0；S=l(R=0)时置位，当上电复位时，D触发器CD4013的Q脚输
出低电平加到单片机的P3-3口，不启动内部计数器，处于等待状态。
在超声波接收端设计了一个信号放大电路，采用两级同相交流放大器，通过参数设置，每一级放大了约20倍，这样经过两级放大后，接收到的超声波信号就被放大了几乎是400倍，完全能够被后续检测电路检测到。接收传感器L2将反射的超声波转换为电信号后，由放大器放大后再送到由U1B、U1C等组成的斯密特整形电路整理成规范的方脉冲。电阻R11和电位器R12为同相端提供直流偏置电位。需要注意的是这两个直流偏置电阻的作用是相当重要的，它可以很好地稳定运放 A741的直流工作点，不致于使其同相输入端出现浮动状态，而造成输入信号不稳定。
由于本超声波测距系统精度要求是lcm，故本人在进行距离显示电路部分的设计时用到了三个数码管，其可以显示范围为0．Olm至9．99m，为了节省硬件开销，本距离显示电路没有使用译码器，而是直接有效地利用了单片机的有限端口来进行译码显示，但是最后由于仍然缺少一个端口，故用到了一个二一四译码器74LS139。
经过老师指导，对初始设计方案进行修改，将原超声波发射电路改成用芯片LM386发射，不使用原有的门控电路。原超声波接收电路改成用集成CX20106，省掉了之前的放大电路。由于采取了系统优化方案，大大节省了单片机的接口，原本因为单片机机接口不够而
家谱管理系统扩展的74LS139芯片被省略，数码管位选直接接在单片机接口上。这些优化大大简化了设计的复杂度和焊接时的困难度。
1 超声波测距原理
超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。
由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表1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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。其系统框图如图1所示。
2 AT89C2051的功能特点
AT89C2051是一个2k字节可编程EPROMgcr15热处理工艺的高性能微控制器。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。AT89C2051有以下特点：2k字节EPROM、128字节RAM、15根I/
O线、2
个16位定时/计数器、5个向量二级中断结构、1个全双向的串行口、并且内含精密模拟比较器和片内振荡器，具有4.25V至5.5V的电压工作范围和12MHz/24MHz工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁、掉电和时钟电路等。此外，AT89C2051还支持二种软件可选的电源节电方式。空闲时，CPU停止，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。可掉电保存RAM的内容，但可使振荡器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。
AT89C2051有2个16位计时/计数器寄存器Timer0t Timer1。作为一个定时器，每个机器周期寄存器增加1，这样寄存器即可计数机器周期。因为一个机器周期有12个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率的1/12。作为一个计数器，该寄存器在相应的外部输入脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1至0的变化时增1。由于需要二个机器周期来辨认一次1到0的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的1/24，可以对外部的输入端P3.2/INT0和P3.3/INT1编程，便于测量脉冲宽度的门。
表1 声速与温度关系表
温度（℃）
| -30
| -20
| -10
| 0
| 10
| 20
| 30
| 纸币识别器100
|
声速（米/称）
| 313
| 319
| 325
| 323
| 338
| 344
| 349
| 386 |
| | | | | | | | |
充分利用AT89C2051的片内资源，即可在很少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。
3 系统硬件电路设计
超声波测距仪的硬件电路如图2所示。
AT89C2051通过外部引脚P1.6输出脉冲宽度为250μs，载波为40kHz的10个脉冲的脉冲，以推挽形式加到变压器的初级，经升压变换推动超声波换能器发射出去。在发射的同时，P1.7输出一个高电平启动，给电容C4充电。发射结束时高电平翻转为低电平，C4开
始对R2、R3组成的分压器放电并输出到比较器的负端。超声波接收换能器将接收到的障碍物反射的超声波送到放大器进行放大，这是一个高增益、低噪声放大器，在对放大后的信号进行检波后将检测回波送到比较器的正输入端。发射时P1.7输出的电平可以抑制比较器的翻转，这样就可以抑制发射器发射的超声波直接辐射到接收器而导致错误检测。
图3是超声波测距原理的波形图，从图中可以看到，测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用S=Ct/2就可以算出距离，再在LCD上显示出来。当然还可以设置若干个键，以用来控制电路的工作状态。限制系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度，反射而的质地，反射而和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。
4 系统软件设计
AT89C2051单片机和其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、表达方式灵活、可进行结构化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等诸多优点。超声波测距仪就是用AT89C51单片机开发设计的。它采用模块化设计，由主程序、发射子程序、查蟓接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成。
图4和图5程控电压衰减器分别为主程序和测量子程序的框图。该系统的主程序处于键控循环工作方式，当按下测量键时，主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量结果用显示子程序在液晶屏上显示出来。
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