超声波测距原理

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：

s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：L=C×T

式中L为测量的距离长度;C为超声波在空气中的传播速度;T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。

超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。

超声波测距仪制作方案

方案一：利用分立模块的超声波测距仪

系统包括超声波测距模组、LED数码显示模组、驱动模组控制模组及电源五部分。

超声波测距模块主要由发射部分和接收部分组成，超声波的发射受主控制器控制(如图1所示);超声波换能器谐振在40KHz的频率，模块上带有40KHz方波产生电路。

显示模块是一个8位段数码显示的LCD;测量结果的显示用到三位数字段码，格式为X点XX 米，同时还用两位数字段码显示数据的个数。

电源采用9V的DC电源输入，经稳压管后得出5V以及3.3V的电源供系统各部分电路使用。

图1 超声波测距的结构

方案二：基于PIC16F876A单片机的超声波测距仪

超声波测距仪主要以单片机PIC16F876A为核心，其发射器是利用压电晶体的谐振带动周围空气振动来工作的.超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。一般情

况下，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s=340×t/2，这就是常用的时差法测距。

在测距计数电路设计中，采用了相关计数法，其主要原理是：测量时单片机系统先给发射电路提供脉冲信号，单片机计数器处于等待状态，不计数;当信号发射一段时间后，由单片机发出信号使系统关闭发射信号，计数器开始计数，实现起始时的同步;当接收信号的最后一个脉冲到来后，计数器停止计数。

双向超声波测距仪的系统主要有几下部分组成(如图2所示)： LED显示模块，PIC16F876A 芯片，超声波发射模块，超声波接收模块，电源模块等五大模块组成。

图2 系统设计总体框图

1.2方案选取

由于本次课程设计是数模电路设计，，并且考虑到单片机编程对于小组成员都不熟悉，调试将遇到更大困难。方案一电路都为所学知识搭建，原理比较熟悉，故采用了硬件电路较复杂的方案一。

用CX20106A做超声波测距电路图

下面是使用 CX20106A 作为超声波接收处理的典型电路，供参考。(当 CX20106A 接收到40KHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入)

一、超声波发射部分应该注意的地方

1、首先确定你发射出的超声波的频率为标准的 40KHz(占空比50%)，并保证有足够的驱动电压。

2、如果你驱动的是开放式的非防水探头(就是铝外壳，探头表面有金属网，可以看到里面有一锥形的金属)，则使用反相器串联再并联做BTL推动就可以了(短距离测距，10vpp以上的电压即可)。

3、如果使用的探头是全封闭的防水头，那就要主要必须有足够的驱动电压才能驱动得了探头(至少要60vpp以上，必须使用倒车雷达专用的中周变压器，这个器件可以找电感生产厂家，已经批量产业化的器件，所以容易购买。注意下匝数比就可以，一般有1:10、1:7几种匝数比，都可以用)。

二、CX20106A 的第5脚的电阻决定接收的中心频率，200k的电阻决定了接收的中心频率为40KHz。

使用CX20106A存在的优缺点：

优点：简单易用，电路简单，减少了生产调试的麻烦。

缺点：必须保证接收到的信号为40KHz，否则无法解调出。

更多内容请参看：用CX20106A做超声波测距电路图

超声波测距仪原理图

用CX20106A做超声波测距电路图

下面是使用 CX20106A 作为超声波接收处理的典型电路，供参考。(当 CX20106A 接收到40KHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入)

一、超声波发射部分应该注意的地方

1、首先确定你发射出的超声波的频率为标准的 40KHz(占空比50%)，并保证有足够的驱动电压。

2、如果你驱动的是开放式的非防水探头(就是铝外壳，探头表面有金属网，可以看到里面有一锥形的金属)，则使用反相器串联再并联做BTL推动就可以了(短距离测距，10vpp以上的电压即可)。

3、如果使用的探头是全封闭的防水头，那就要主要必须有足够的驱动电压才能驱动得了探头(至少要60vpp以上，必须使用倒车雷达专用的中周变压器，这个器件可以找电感生产厂家，已经批量产业化的器件，所以容易购买。注意下匝数比就可以，一般有1:10、1:7几种匝数比，都可以用)。

二、CX20106A 的第5脚的电阻决定接收的中心频率，200k的电阻决定了接收的中心频率为40KHz。

使用CX20106A存在的优缺点：

优点：简单易用，电路简单，减少了生产调试的麻烦。

缺点：必须保证接收到的信号为40KHz，否则无法解调出。

更多内容请参看：用CX20106A做超声波测距电路图