超声波测距系统

一、设计原理

当超声波从空气中垂直入射到汽油、木材、钢材时，几乎产生全反射，这样，反射回来的回波具有足够的能量被接收探头所接收，为超声波测距创造了可能性。

" 如图1所示，超声波测距原理是通过超声波发射传感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停止计时。常温下超声波在空气中的传播速度为C=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：s=c*t/2=c*t0（t0就是所谓的渡越时间）

二、超声波测距系统硬件设计总体方案

本系统中选用的探头是40KHz的超声传感器，有一支接收传感器

SZW-R40-10P和一支发射传感器SZW-S40-12M。

MC68HC908GP32单片机是Motorola公司的第2代8位微控制器，由于其高

性价比，非常适用于中小型MCU开发商和生产厂家的欢迎。这类MCU的指令集非

常精简，容易被用户掌握。其主要硬件资源有：片内307字节的监控ROM，32KB

的片内FLASH存储器和512B RAM，33根通用的I/O引脚，2个16位的双通道定

时器接口模块，外部中断，同时具有看门狗监视复位，低电压极限检测复位，非

法指令检测复位等，使得应用系统免除了进入死循环的危险。

（一）发射电路。本系统采用方波调制的脉冲发射电路，即采用单片机的PORTA4

口作为IO口，同时外接驱动芯片来提高其输出电流的驱动能力，保证40KHz的

脉冲信号有一定的功率。单片机产生以5个40KHz为一组的脉冲群，加到压电晶

片上能使晶片发出超声波，当信号为高电平时，发射传感器两端就加上了高电压，

内部的压电晶片开始振动，此时接收传感器的两端可以检测到有40KHz信号；当

信号为低电平时，发射传感器通过回路放电，此时接收传感器可以接收到回波信

号。

（二）接收前置及带通放大电路。放大电路共有三级：前置放大器是高阻抗

输入级，高输入阻抗是为了与传感器的高阻抗匹配。

课题中的带通放大器采用了集成滤波器MAX275，这是一款连续时间模拟集

成有源滤波器，片内硬件由四个运算放大器及若干电阻电容组成。MAX275组成的滤波器具有外接元件少、结构简单、参数调整方便和不受运算放大器本身频率特性影响等优点；由于没有外接电容，而且是单片结构，因而高频场合时受分布电容的影响较小。MAX275使用±5V电源，电源电流最大不超过30mA。

（三）LED显示电路。MAX7219就是一种高性能，低价格的多位LED显示驱动器，可同时驱动8位共阴极LED或64只独立的LED发光二极管，其内部具有14*8RAM数字和功能控制寄存器，可方便的对每位数字进行单独控制，刷新，不需重写整个显示器寄存器。如图5，通信方式采用串行数据方式，可与68HC08

系列的任何一种微控制器方便的接口，广泛应用在条状图形显示器，7段数码管显示器，工业控制器显示模板，面板表与LED矩阵显示屏等众多场合。

齐鲁工业大学

2013

届本科毕业设计（论文）

第1 章

绪论

1.1

课题研究的背景

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。

随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。但就目前技术

水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展

而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重

要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发

展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度

的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检

测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的

潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题。毋庸置疑，未来的超声波传感器将与

自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术

进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力[1]

。

1.2

课题研究的意义

在现实生活中，一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷，

例如，液面测量就是一个距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或

脉冲检测液面，电极长期浸泡在水中或其它液体中，极易被腐蚀、电解，从而失去灵

敏性。而利用超声波测量距离可以很好地解决这一问题。目前市面上常见的超声波测

距系统不仅价格昂贵，体积过大而且精度也不高等种种因素，使得在一些中小规模的

应用领域中难以得到广泛的应用。

为解决这一系列难题，

本文设计了一款基于

A T89C51

单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪[2]

。

1.3

论文结构