模块原理

1,超声波测距原理[1，2]

发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。

由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，下表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。

2,超声波测距仪原理框图如下图

单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED 显示。

图1-1 超声波测距仪原理框图

3, 51系列单片机的功能特点

。5l系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8 b的工／O端I：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器(E~PROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机引脚与封装如图2-1所示

5l系列单片机提供以下功能：4 kB存储器；256 BRAM；32条工／O线；2个16b 定时／计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。

空闲方式：CPU停止工作，而让RAM、定时／计数器、串行口和中断系统继续工作。

掉电方式：保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。

5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。

4,单片机实现测距原理

单片机发出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tr，然后求出距离S＝Ct／2，式中的C为超声波波速。

限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射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。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误

差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收的设计方法。由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。

5,超声波测距仪的算法设计 [10]

超声波测距的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为：

d=s/2=(c×t)/2 （1）其中，d为被测物与测距仪的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。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?

POP PSW

RETI

6,超声波检测接收电路

集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接

近，可以利用它制作超声波检测接收电路(如图2-3)。实验证明用CX20106A接收超声

波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容

C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

图2-3 超声波检测接收电路。.

2.2 超声波发射电路[7]

超声波发射电路原理图如图2-2所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声

波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一

个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的

发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1O、R11一方

面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器

的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一

个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，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换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志