超声波测距试验心得

超声波测距试验心得（精选4篇）

1.超声波测距试验心得 篇一

超声波测距模块总结报告

董升亮

Senscomp公司的超声波测距系统包括两个部分，分别是测距模块（6500）和静电换能器（600）。前者驱动后者，后者负责发送和接收超声波，之后用户便可根据超声波发收这一时间间隔计算出与目标物之间的距离。经过多次户外实验与优化，目前可实现一片单片机对4个超声波测距模块的控制，并且每个的探测距离都可达到10米左右。

一、超声波测距原理

超声波是指频率高于20khz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波换能器或超声波探头。超声波换能器有发送器和接收器，600系列换能器同时具有发送和接收声波的作用。超声波换能器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

超声波测距原理也很简单，就是测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就可以得到二倍的声源与障碍物之间的距离。

即：D=C*T/2。其中，D为600换能器到障碍物之间的距离；C为超声波此时在空气中的传播速度；T为超声波的发收时间。在空气中，声波的传播速度一般受温湿度的影响，在没有温湿度传感器或对测量精度要求不高的情况下，一般取340m/s。在以上几次实验中，程序中采用C=340m/s。

二、6500驱动模块

我们所采用的这款6500驱动模块，手册上说可以实现6英寸-35英尺（0.152m-10.668m)的准确测距，但由于所采用的600模块是自发自收的，在发送过程中从障碍物返回的信号就无法捕获。另外，超声波换能器有一定的惯性，发送结束后还留有一定的余振，这种余振经换能器同样产生电压信号，扰乱了系统捕捉返回信号的工作。因此，在余振未消失以前，还不能启动系统进行回波接收（要等待2.38ms），以上两个原因造成了超声传感器具有测量一定的测量范围。模块最近可以到测量37cm。当然实际实验过程中会在这些标准上稍有浮动。该模块操作简单，但要特别注意的是它的噪声干扰问题。该模块共有九个引脚如图1。

图1

1引脚：接地

2引脚：BLNK，多返回模式时，用于控制（拉低）ECHO信号 3引脚：不用

4引脚：INIT，拉高启动模块发射超声波。拉低时，ECHO也同时拉低 5引脚：不用

6引脚：OSC，6500模块内部时钟，一般用不到

7引脚：ECHO，当超声波遇到障碍物返回至换能器时，该引脚拉高。该引脚需要一个470KΩ的电阻上拉至Vcc 8引脚：BINH，可使能探测37cm以内的障碍物 9引脚：Vcc，4.5V-6.8V供电，我们采用5V供电 说明：在这9个引脚当中，我们只用到其中的4个（Vcc，GND，INIT，ECHO）。另外一点值得强调的是，由于BLNK和BINH受内部噪声影响比较大，因此这两个引脚直接连接到GND。并且6500模块与单片机控制板之间的连接排线长度尽量要短。

6500驱动模块具有两种工作方式。第一种工作方式测量的是换能器到其前方第一个障碍物之间的距离。第二种工作方式可探测多个障碍物的回波，其区分能力为间隔3英寸以上的障碍物。

图2 单返回模式，控制时序实例

三、600系列换能器

此超声波换能器是集发送与接收一体的一种换能器。传感器里面有一个圆形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一层金属薄膜，在其背面有一个铝制的后板。薄片和后板构成了一个电容器，当给薄片加上频率为49.4khz、电压为300vacpk-pk左右的方波电压时，薄片以同样的频率震动，从而产生频率为49.4khz的超声波。当接收回波时，6500内有一个调谐电路，使得只有频率接近49.4khz的信号才能被接收，而其它频率的信号则被过滤。

换能器在将电信号转化成声波的过程中，所产生的声波并不是理想中的矩形，而是一个类似花瓣一样形状，发送超声波的波束角大约为30度，见图3。在实际应用中，该波束应为一个立体的圆锥形，这也导致两个问题：

1）随着探测距离的延长，探测障碍物方位的准确性下降。即无法对障碍物进行准确定位。

2）探测距离越远，能量扩散越严重，在障碍物不理想的情况下，返回信号减弱，以至于在标准探测范围内，返回脉冲也达不到600换能器的判断阈值。

图3

四、单片机控制模块

系统采用PIC30F4011控制芯片，同时集成串口和CAN总线两种数据传输方式。该电路共配置了8个6500模块接口，目前已经用到了其中的4个。为了减小相互之间的干扰，每个模块之间都采用了LC滤波电路。同时在每个模块的电源到地之间增加了一个1uF的旁路电容和一个470uF的铝电解电容，前者用来消除内部干扰对BINH引脚的影响，后者起储能作用，这两者视情况可选择使用。其电路连接如图4，PCB布线如图5。两者中的电感用相近引脚间距的电容做了代替。

图4

图5

五、程序控制模块

由于该单片机控制多个超声波测距模块，因此在编程过程中要首先考虑到各个模块之间的相互影响，最基本的要求是某一个模块突然的硬件错误不会对其他模块的正常运行造成影响。最初考虑到在uCOS-II上进行编程，但实施过程中发现要借用互斥信号量与多个邮箱，任务多且复杂，既费时又费力，并且会对超声波往返时间的计时产生影响，同时也使对程序的阅读更加困难。最终放弃了这个方案。

新方案采用多重循环来进行模块控制调度，为避免陷入死循环，程序中采用了goto语句。在此程序中，我们定义了一个整型变量Con6500，让他分别等于1、2、3、4来分别控制这四个模块，同时还用到了3个定时器：

Timer1：用于设置6500模块探测周期。

Timer2：用于记录各个模块超声波往返时间。Timer3：用于防止某一模块超时。

程序中对各个模块的返回引脚均采用查询的方式，整个程序的关键代码如下： int main(void){ //CAN、UART、Timer、IO初始化 Con6500=1；//从第一个模块开始探测 //……

while(1){ StartChk:while(Timer1Lock==1)//有一个6500模块开启

{

while(Con6500==1)//开启的是第一个模块（6500-1）

{

TMR3=0;//为第一个模块计时，以避免其超时

while(1)//查询6500-1返回引脚

{

if(PORTDbits.RD1==1)//ECHO1有返回

{

ECHO1();//完成距离计算及数据发送

LATBbits.LATB8=0;//关闭6500-1超声波换能器

Con6500=2;//下一次6500-2模块发送

Timer1Lock=0;//标记所有模块都关闭

goto StartChk;//等待下一个模块开启

}

else if(TMR3>=WaitTMR3)//如果6500-1超时

{

LATBbits.LATB8=0;//关闭6500-1超声波换能器

Con6500=2;//下一次6500-2模块发送

Timer1Lock=0;//标记所有模块都关闭

goto StartChk;//等待下一个模块开启

}

}

}

while(Con6500==2)//若开启的是第二个模块（6500-2）

{

TMR3=0;//为6500-2计时，避免其超时

while(1)//查询6500-2返回引脚

{

if(PORTEbits.RE1==1)//ECHO2有返回

{

ECHO2();//完成距离计算及数据发送

LATBbits.LATB7=0;//关闭6500-2超声波换能器

Con6500=3;//下一次6500-3模块发送

Timer1Lock=0;//标记所有模块都关闭

goto StartChk;//等待下一个模块开启

}

else if(TMR3>=WaitTMR3)//若6500-2超时

{

LATBbits.LATB7=0;//关闭6500-2超声波换能器

Con6500=3;//下一次6500-3模块发送

Timer1Lock=0;//标记所有模块都关闭

goto StartChk;//等待下一个模块开启

}

}

} //……其它模块

} } } /*定时器1中断服务程序*/

void __attribute__((__interrupt__))_T1Interrupt(void){ IFS0bits.T1IF=0;//清除T1中断标志

if(Con6500==1){

TMR2=0;//超声波收发时间计时开始

LATBbits.LATB8=1;//开启6500-1超声波换能器

Timer1Lock=1;//标记有模块开启

} if(Con6500==2)//判断SonarLock=1是为了防止6500-1不工作

{

TMR2=0;//超声波收发时间计时开始

LATBbits.LATB7=1;//开启6500-2超声波换能器

Timer1Lock=1;//标记有模块开启

} //…… }

六、关于噪声干扰

噪声问题是必须要注意和解决的问题，否则它将影响测距模块的可靠性和准确性，有时甚至会直接导致其无法正常工作。对超声波测距模块产生的干扰主要包括内部干扰和外部干扰。

1、内部干扰

内部干扰主要来自超声波发送时产生的发送脉冲，6500模块的内部电路见图6。

图6 其中TL851是一个数字12步测距控制集成电路。内部有一个420khz的陶瓷晶振，6500系列超声波距离模块开始工作时，在发送的前16个周期，陶瓷晶振被8.5分频，形成49.4khz的超声波信号，然后通过三极管Q1和变压器T1输送至超声波传感器。发送之后陶瓷晶振被4.5分频，以供单片机定时用。在发生脉冲的过

程中，通过示波器观察，会发现在GND和BINH上会有多个尖峰脉冲，其峰峰值有时甚至达到4V，这将导致在发送超声波时，ECHO引脚被突然拉高，从而导致根本无法探测障碍物。其原因为BINH引脚对噪音过于敏感，官方提供的解决办法为将BINH直接连接到地，同时在Vcc与GND之间加1uF的旁路电容。但在实际应用过程中我们发现，即便单个模块调试成功，当将多个6500模块集成在一个板子上同时工作时，仍会有干扰发生从而影响某一个或几个模块的正常工作。经过反复调试，我们发现有必要在6500模块排线的末端加一大容量的铝电解电容来稳定供电电压滤除噪音。

TL852是专门为接收超声波而设计的芯片。因为返回的超声波信号比较微弱，需要进行放大才能被单片机接收，TL852主要提供了放大电路，当TL852接收到4个脉冲信号时，就通过REC给TL851发送高电平表明超声波已经接收。由此可见，当返回超声波信号太弱或者达不到4个返回脉冲时，将不能实现准确测距。

2、外部干扰

外部比较复杂，包括外部事物产生与该超声波类似的噪音；不理想的障碍物对测距的干扰；以及个测距模块之间的相互干扰。

虽然多数超声波传感器的工作频率为50Khz左右，远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音。比如，电机在转动过程会产生一定的高频，轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音，机器人本身的抖动。这些都将对换能器接收信号造成影响。但这一类噪音出现的几率比较低，有时可以忽略不计。

由于换能器发送的超声波并不是理想的圆柱型，而是开口呈30度的圆锥形。这将导致测距模块对障碍物的方位判断产生误差。即超声波可能会先碰到周围的物体产生返回信号，从而无法准确探测换能器与目标物体之间的距离。这个问题也是在后期实验过程中验证了的。在这种情况下，可采用复合返回模式，但这样又极易造成内部干扰。因此在对测距精度要求不高的情况下，我们还是采用单返回模式。

最后一个要注意的是多模块之间的交叉问题，由于我们所采用的超声波测距模块发射的超声波几乎完全相同，这就导致相互间产生干扰的几率增大，其解决方案为增大模块之间的朝向角，也可以在换能器前加一遮挡物，前提是不影响超声波的发送。

七、实验过程及测试结果分析

实验过程完全没有预想中的那么顺利，看似操作简单的测距模块，至今为止已经耗费了一个多月的时间。总结起来，大部分时间都耗费在了消除噪音上。

第一阶段主要是对第一套测距模块的测试和相关电路的设计修改。但在一开始就遇到了麻烦，主要原因归结于自己的粗心大意和不重视官方材料。以至于在电路设计时忽略了ECHO引脚的上拉电阻，导致无法测得返回信号。由于英语水平并不很高和当时的习惯问题，并未意识到从官方网站上查找相关资料，而是仅仅局限于对电路电气规则的检查。

第二阶段主要集中于对噪声的发现与处理。在相关电路及元件问题解决后，模块仍无法正常工作，具体表现就是ECHO引脚的突然拉高从而导致无法进行正常测量，这也是该超声波测距模块最常见的问题。其原因是BINH引脚对噪声过于敏感，而噪声有来源于模块内部，即在每次发送超声波时产生的脉冲会对供电电压造成影响。经过示波器观察会发现在BINH引脚和GND引脚上有峰峰值（大约为3.6V）较大脉冲信号。我们采取的主要解决办法是将BINH和BLNK引脚在排线末端直接

连接到地，并在Vcc与GND之间加一个1uF的滤波电容。后期实验我们发现，即使这样也会存在问题。

第三阶段主要是对多个6500模块控制程序的编写。由于PIC30F4011控制芯片只有两个外部中断引脚，于是我们选择用查询的方式监测返回信号。经过多次尝试，最终放弃了在操作系统上进行编程。新方案的详细介绍见第五部分：程序控制模块。

第四阶段为对4个模块的组装与调试。由于有先前积累的经验与教训，这一阶段耗时相对较少，主要问题仍然是噪音处理，将个别模块1uF的滤波电容换成了330uF，主要用来稳定改模块的供电电压。实验时，我们将四个6500模块和单片机控制电路安装在小车上，其中两侧各一个，前方两个。为了减震，将4个模块和控制电路固定在了一块泡沫砖上。实验场地前期选在一楼东门口的丁字路口上，后期沿路行进至环校公路。各个6500模块的探测周期设定为1次/秒。

静态测量时，地点选在东门口，测试数据稳定，效果较好。后来选取一10米左右障碍物（楼梯），该障碍物形状很不规范。对4个6500模块进行分别测量测试数据基本稳定，但偶尔会无返回信号，测试数据见附件。在移动测量时，发现有时测得的数据并不反映真实情况，特别是在周围环境比较复杂的情况下，会无法探测到与前方障碍物之间的真正距离。但总体来讲，效果还可以。另外还有一点需要注意，那就是车子不能移动太快，否则将会影响超声波返回信号的接收。

实验至此还存在的不足是，其中的一个模块仍不很稳定，其内部干扰有时会影响正常。一般断电重启就能解决。

八、心得体会

经过这么长时间的锻炼，得到的最重要的一点体会是：不能急功近利，遇事不能浮躁，要想解决问题最终还是要靠静下心来仔细分析。遇到困难不能退缩更不能半途而废，不懂的可以上网查，这也是一个不断学习和不断积累经验的过程。另外实验室的设备齐全，要学会充分利用。

对于烧毁的那个三极管Q1，其原因最终还要归结于TL851芯片的XMIT引脚脉冲持续时间过长，导致Q1长时间导通，而三极管的集电极与发射极又直接与Vcc和GND相连，从而致使短路电流持续时间过长，超过三极管允许极限，进而将其烧毁。

九、附件说明

附件1为东门口静态测试，单位为米。为了便于观察，对串口输出做了规范，1

至4列分别对应1至4个模块测得的数据，空白单元代表无返回数据。

附件2为静态远距（9m-10m）测试结果。

附件3为由东门口行至南楼西侧以及返回所得数据。附件4为该测距系统的相关电路与PCB板图。里面电感用相同引脚电容做了代替。

附件5为PIC30F4011芯片的4模块控制程序。

十、补充

ECHO引脚会出现一个尖峰脉冲影响对返回时间的判断，需要接一104电容加以滤除。

2.超声波测距试验心得 篇二

超声波作为一种检测技术, 采用的是非接触式测量, 此特点可使测量仪器不受被测介质的影响[1,2]。这就大大解决了在粉尘多情况下, 给人类引起的身体接触伤害, 腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀, 触点接触不良造成的误测情况。且对被测元件无磨损, 使测量仪器牢固耐用, 使用寿命加长, 而且还降低了能量消耗, 节省人力和劳动的强度。无论从精度还是从可靠性方面, 超声波测距做得都比较好[3,4]。利用超声波检测即迅速, 方便, 计算简单, 又易于做到实时控制, 并且在测量精度方面能达到工业实用的要求, 具有广泛的发展前景。

这些年来, 随着超声波技术研究的不断深入, 超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海等工业领域。目前国内专用超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度[5,6,7,8]。

1 超声波测距原理

本硬件设计采用超声波往返时间检测法, 其原理为:检测从超声波发射器发出的超声波, 经气体介质的传播到接收器的时间, 即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘, 就是声波传输的距离。而所测距离是声波传输距离的一半, 即:

在上式中, L为待测距离, v为超声波的声速, t为往返时间。由下式计算测量误差;

式中, σL为测距误差, v为声速, σ△t为时间测量误差, σv为声速误差。

2 超声波测距系统的硬件设计

发射电压从理论上来说是越高越好, 因为对同一只发射传感器而言, 电压越高, 发射的超声波功率就越大, 这样能够在接受传感器上接收的回波功率就比较大, 对于接收电路的设计就相对简单一点。但是, 每一只实际的发射传感器有其工作电压的极限值, 会对传感器的内部电路造成不可恢复的伤害。

发射部分的点脉冲电压很高, 但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏, 要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度, 最终达到对回波进行放大检测, 产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。

2.1 发射部 分

(1) 发射波形

发射部分用单片机产生40k Hz的方波, 然后加以驱动。波形经过放大后发生轻微变化后送至发射传感器发射出的信号, 理论上是稳定变化的, 为使传感器充分震荡, 发射脉宽不可以过小, 一般来说我们选择40k Hz的方波信号, 但是实际情况是我们可以得到频率为39k Hz到40k Hz之间的信号。

(2) 发射电压

传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收器的灵敏度。在发射端电源处极其容易产生干扰, 可以选择适当大小的电容进行滤波。设计的发射电路如图2所示。

2.2 接收部分

在传感器接收的信号中, 除了障碍物反射的回波外, 总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声。环境噪声主要集中在低频段, 远离回波信号频率。因此系统的总噪声系数主要有接收机的内部噪音决定, 其功率谱宽度远大于接收机的通频带, 而且内部会产生一个有用信号频率基本相同, 只有辐值不同的信号, 可以使用一些特殊的电路将其隔离。接收电路如图3所示。

2.3 检 测单 元

接收信号放大到2V左右时, 就可以进行信号检测, 信号检测的目的是确定接收信号的到达时间, 这是整个电路一个关键的地方。因为它不仅决定系统的测量精度, 还关系到整个系统是否能正常工作。

检测电路设计的要求是保证每次接收信号都能被准确的鉴别出来转换成数字脉冲去触发单片机的外中断引脚, 通常采用某一固定电平或滑动门限电平作为比较电平, 以零电作为比较电平是行不通的。这样一来, 即使没有接收信号, 也会造成比较器反复触发, 从而无法判断那个信号是真正的接收信号。若采用某一高于一般噪声峰值的固定电平, 这样就可以消除一般噪声的影响, 而且比较电平固定, 可以实现对电路信号的准确检测。

2.4 显示单 元

显示器是一个典型的输出设备, 而且其应用是极为广泛的, 几乎所有的电子产品都要用到显示器, 其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使用LED发光二极管, 给出一个简单的开关量信息。

2.5 声速校 正

要想通过测量超声波传播时间确定距离, 声速C必须恒定。实际上, 声速随着介质、温度、压力等变化而变化。一般情况下, 由于大气压力变化比较小, 因此传播速度主要考虑温度的影响。通过温度修正, 即根据声速与温度的关系计算出测量时实际环境中的声速, 再根据测距公式得到距离。空气中声速C与温度T的关系在常温下可以用公式 (3) 表示。

2.6 干扰问题的解决方法

干扰主要是外界高频噪音及电源等对信号产生的干扰。由于这类干扰信号尤其是电源干扰信号和有用信号极其相似, 因此不容易检测出回波信号。针对这样的干扰信号, 可以通过选择合适的元器件, 加之滤波电路就可以消除干扰。

3 超声波测距系统的软件设计

3.1 信号控制

在系统软件中, 要完成接收控制信号、发射脉冲信号、峰值采集信号的时序及输出信号处理后的显示等。

3.2 数 据存 储

为了得到发射信号与接收回波间的时间差, 要读出此刻计数器的数值, 然后存储在RAM中, 而且每次发射周期的开始, 需要计数器清零, 以备后续处理。

3.3 信 号处 理

用超声频脉冲激励超声波探头, 使之向外界辐射超声波, 并接收从被测物体反射回来的超声波 (简称回波) , 通过检测或估计从发射超声波至接收回波所经历的时间段t (称为射程时间) , 然后按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离L, 即

式中, C为空气介质中声波的传播速度。

由式 (4) 可知, 当传播介质的温度发生变化时, 声的传播速度。也随之改变。因此, 在超声波测距仪中均内置温度探头, 用于实时检测声传播介质的温度, 以补偿环境温度变化对测距精度的影响。为了改善超声波测距系统的性能, 仅仅从系统的硬件入手是不够的, 还必须研究与硬件系统相适应的测量信息处理方法。

在此超声波测距仪的设计中, RAM中存储的计数值不能作为距离值直接显示输出, 因为计数值与实际的距离值之间的转换公式。

其中, t为发射信号到接收信号之间经历的时间, Tr为方波信号作为计数脉冲时计数器的时间分辨率, N为计数器的值。

3.4 数据输出与显示

经软件处理得到距离传送的四位LED显示。

由于距离值的得到及显示是中断子程序中完成的, 因此在初始化发射程序后进入中断响应的等待, 在中断响应的之后, 原始数据经计数值与距离值换算子程序, 二进制与十进制转换后显示输出。

整个系统软件功能的实现可以分为主程序、子程序、中断服务程序几个主要部分。

3.5 超声波测距系统软件流程图

4 结论

基于时差测距原理设计了8051单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距系统, 给出了原理框图和硬件各部分的实现, 并进行了软件设计。在本设计方案中还存在着一些不足, 例如环境温度的变化将影响超声波在媒质中的传播速度受温度影响造成的误差无法消除。

摘要：超声波测距技术在社会生活中己有广泛的应用, 超声波测距传感器在车辆避障与安全预警系统、车辆自动导航和现场机器人等专题中具有广阔的应用前景。本文根据超声波特征及测距原理, 完成了一款以单片机为核心的基于时差测距原理的一种超声波测距系统的软硬件设计。

关键词：超声波,距离测量,单片机

参考文献

[1]卜英勇, 王纪婵, 赵海鸣, 等.基于单片机的高精度超声波测距系统[J].仪表技术与传感器, 2007, 3:66-68

[2]马大猷.现代声学理论基础[M].北京:科学出版社, 2004.

[3]曹建海, 路长厚, 韩旭东.基于单片机的超声波液位测量系统[J].仪表技术与传感器, 2004 (1) :39-40.

3.超声波测距试验心得 篇三

超声波测距 中英文对照资料外文翻译 超声测距系统设计 原文出处：传感器文摘 布拉福德:1993年 第13页摘要：超声测距技术在工业现场、车辆导航、水声工程等领域都具有广泛的应用价值，目前已应用于物位测量、机器人自动导航以及空气中与水下的目标探测、识别、定位等场合。因此，深入研究超声的测距理论和方法具有重要的实践意义。为了进一步提高测距的精确度，满足工程人员对测量精度、测距量程和测距仪使用的要求，本文研制了一套基于单片机的便携式超声测距系统。关键词：超声波，测距仪，单片机

1、前言 随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。

2、超声波测距原理2.1 压电式超声波发生器原理 毕业设计（论文）英文翻译 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构，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振荡频率时，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，这时它就成为超声波接收器了。测量脉冲到达时间的传统方法是以拥有固定参数的接收信号开端为基础的。这个界限恰恰选于噪音水平之上，然而脉冲到达时间被定义为脉冲信号刚好超过界限的第一时刻。一个物体的脉冲强度很大程度上取决于这个物体的自然属性尺寸还有它与传感器的距离。进一步说，从脉冲起始点到刚好超过界限之间的时间段随着脉冲的强度而改变。结果，一种错误便出现了——两个拥有不同强度的脉冲在不同时间超过界限却在同一时间到达。强度较强的脉冲会比强度较弱的脉冲超过界限的时间早点，因此我们会认为强度较强的脉冲属于较近的物体。2.2 超声波测距原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s340t/

23、超声波测距系统的电路设计 系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用 C51，经济易用，且片内有 4K 的 ROM，便于编程。电路原理图如图 1 所示。‐1‐毕业设计（论文）英文翻译 图 1 电路原理图 ‐2‐ 毕业设计（论文）英文翻译3.1 40kHz 脉冲的产生与超声波发射 测距系统中的超声波传感器采用 UCM40 的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz 的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。puzel： mov 14h 12h；超声波发射持续 200mshere： cpl p1.0 ； 输出 40kHz 方波 nop ； nop ； nop ； djnz 14h，here； ret 前方测距电路的输入端接单片机 P1.0 端口，单片机执行上面的程序后，在 P1.0端口输出一个 40kHz 的脉冲信号，经过三极管 T 放大，驱动超声波发射头 UCM40T，发出 40kHz 的脉冲超声波，且持续发射 200ms。右侧和左侧测 距电路的输入端分别接 P1.1 和 P1.2 端口，工作原理与前方测距电路相同。3.2 超声波的接收与处理 接收头采用与发射头配对的 UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经 IC2运算放大器 IC1A 和 IC1B 两极放大后加至 IC2。是带有锁 定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率 f01/1.1R8C3，电容 C4 决定其锁定带宽。调节 R8 在发射的载频上，则 LM567 输入信号大于 25mV，输出端 8 脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理.前方测距电路的输出端接单片机 INT0 端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门 IC3A 的输出接单片机 INT1 端口，同时单片机 P1.3 和 P1.4 接到 IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。部分源程序如下：receive1：push psw push acc clr ex1； 关外部中断 1 jnb p1.1right；P1.1 引脚为 0转至右测距电路中断服务程序 ‐3‐ 毕业设计（论文）英文翻译 jnb p1.2left；P1.2 引脚为 0转至左测距电路中断服务程序return： SETB EX1； 开外部中断 1 pop acc pop psw retiright：...； 右测距电路中断服务程序入口 ajmp returnleft：...； 左测距电路中断服务程序入口 ajmp return3.3 计算超声波传播时间 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路 输出端产生一个负跳变，在 INT0 或 INT1 端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。其部分源程序如下：RECEIVE0： PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 ； 关外部中断 0 MOV R7 TH0 ； 读取时间值 MOV R6 TL0 CLR C MOV A R6 SUBB A 0BBH； 计算时间差 MOV 31H A ； 存储结果 MOV A R7 SUBB A 3CH MOV 30H A SETB EX0 ； 开外部中断 0 POP ACC ‐4‐ 毕业设计（论文）英文翻译 POP PSW RETI对于一个平坦的目标，距离测量包括两个阶段:粗糙的测量和精细测量。第一步：脉冲的传送产生一种简单的超声波。第二步：根据公式改变回波放大器的获得量直到回拨被检测到。第三步：检测两种回波的振幅与过零时间。第四步：设置回波放大器的所得来规格输出，假定是 3 伏。通过脉冲的周期设置下一 个脉冲。根据第二部的数据设定时间窗。第五步：发射两串脉冲产生干扰波。测量过零时间与回波的振幅。如果逆向发生在回 波中，决定要不通过在低气压插入振幅。第六步：通过公式计算距离 y。

4、超声波测距系统的软件设计 软件分为两部分，主程序和中断服务程序。主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。

4.浅析超声波测距系统 篇四

目前在国民生活生产中的各个领域里都得到了人们的应用, 尤其是化工, 航海, 机械制造, 交通等领域内, 另外在医学、材料科学、生物科学等领域中也占有重要的地位。

1 超声波测距的原理

由超声波发生器在控制系统的控制下, 向被测物体发射超声波, 同时控制计时器进行计时, 超声波在向被测物体传播时, 当它接触到被测物体时, 会被反射, 回波被接收装置接收, 同时控制计时器结束计时, 计时器所记录的时间即为超声波来回的时间, 通过计算就可以得到发射点距被测物的距离。原理如图1所示。

超声波在空气中的传播速度为C, 根据计时器上记录的时间t, 就可以计算出测试点距被测物体的距离L, 即:

测量误差满足公式 (2) :

式中:

σL———为距离误差;

σC———为声速误差;

σt———为时间误差。

测量电路简单, 测量的范围适中, 精度较好, 使用较为广泛。

2 国内外超声波测距技术研究进展

近年来, 由于各种超声波检测仪器大量问世, 带动了超声波测距系统的长足发展。目前在超声波回波信号的处理方法上、新型的超声波换能器的研发上、超声波发射脉冲的选取三个方面, 做了大量的研究工作, 并针对影响超声波测距的因素, 提出了温度补偿、接收回路串入自动增益调节等措施, 提高了超声波测距系统的准确度。但是作为超声波测距系统的关键技术之一, 回波信号处理仍然是目前研究的重点方向。

2.1 国内超声波测距技术研究进展

国内在超声波测距仪器上的研究也步入了国际先进行列。其中, 由某研究院设计的型号为2000A的超声分析检测装置, 是一个智能化测量仪器, 在它的内部自带一个微处理器, 所有的操作全部在微处理器的控制之下, 其测试波形清晰, 状态稳定, 且操作简单, 并具有断电存贮的功能。其先进的设计理念, 齐全的使用功能, 且在设计上的创新和突破都遥遥领先与国内同类产品, 并进入了国际领先行列。

李云龙等人在2012年第1期《仪表技术与传感器》发表的“新型嵌入式超声波测距系统”一文中, 设计了一种以C8051F320单片机、反激变换器和专用集成电路为核心元件的超声波测距系统, 它可以增大超声波的发射频率和准确接收回波信号。测试结果表明这种系统测量数据准确, 线性度好, 性能稳定, 成本低等特点可以广泛应用于工业领域。

王小华等人在2012年第33期《广西物理》发表的“基于温度补偿的超声波测距系统设计”一文中, 设计了一个超声波测距系统, 它包含AT8951单片机, 发射、接收电路, 温度补偿电路及显示电路等5部分。对温度、距离衰减及时间差测量进行补偿。实验结果证明该系统, 稳定, 精度较高, 最大误差小于2cm。

2.2 国外超声波测距技术研究进展

国外在超声波测距领域起步较早, 尤其在超声波测距精度方面做了大量的研究, 其中Zhenjing Yao, Tao Gao等人在2012年第7期《Journal of Networks》发表的“The Optimized Pseudorandom Digital Modulation Excitation Sequences for Multichannel Ultrasonic Ranging system”一文中, 提出了采用多通道超声波传感器随机数字调制激励序列, 以避免串扰。充分利用了传感器的带宽来配置传感器的调制参数, 它可以使八通道超声波测距系统协同工作, 并无串扰, 具有最大误差不超过4.1cm的精度。

Jackson Joseph, Summan Rahul等人在2013年第60卷《Ferroelectrics and Frequency Control》发表的“Time-of-flight measurement techniques for airborne ultrasonic ranging”一文中, 对超声测距方法的不同技术和局限性进行了综述, 重点对测量精度和可重复性进行了讨论。得出“简单的时域方法都与它们的频域等值相关”的结论。

3 结论

纵观上述可以发现, 超声波测距技术的研究, 除了采用先进的计算机控制技术之外, 主要集中在对测距信号的影响因素以及补偿处理方法等方面, 以提高测距精度与可靠性。

摘要：超声波检测的优点在于非接触型, 高精度, 简单易操作, 因此在国民生产生活的各个领域都得到了广泛的应用。本文通过对超声波测距原理进行阐述, 并针对国内外超声波测距技术发展的现状进行了论述, 表明了超声波测距的先进性和准确性以及可操作性。

关键词：超声波,测距,技术

参考文献

[1]李云龙, 卜雄洙, 赵文, 朱雅平.新型嵌入式超声波测距系统.仪表技术与传感器, 2012, No.1:97-99.

[2]苏琳.基于HC-SR04的超声波测距器的设计.机械与电子, 2012, 9:124-125.