超声波测距应用

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，超声波发内部结构如图2.1所示，它有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加信号，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，当共振板接超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为波传感器。

压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0。发射超声波时，在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响 与接收超声波。

2.2 超声波测距原理及实现

超声波的指向性强,能量消耗缓慢,遇到障碍物后反射效率高,是测距的良好载体。测距时由安装在同一位置的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收,由定时器计时。首先由发射器向特定方向发射超声波并同时启动定时器计时,超声波在介质传

播途

中一旦遇到障碍物后就被反射回来,当接收器收到反射波后立即停止计时。这样,定时器就记录下了超声波自发射点至障碍物之间往返传播经历的时间t(s)。由于常温下超声波在空气中的传播速度约为340m/s,所以发射点距障碍物之间的距离为: S=340 t/2=170 t (1)

由于单片机内部定时器的计时实际上是对机器周期T机的计数,设计中时钟频率fosc取12MHz,设计数值N,则

T机=12/fosc=1μs,t=N T机=N×10-6(s) S=170×N×T机=170×N/106(m)

或S=17×N/103(cm) (2) 程序中按式(2)计算距离。 可以看出主要部分有：

(1)供应电能的脉冲发生器（发射电路）； (2)使接收和发射隔离的开关部分；

(3)转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器； (4)接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；

(5)接收放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设 备；

(6)记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。

在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。故在超声波测量中，常使用40KHz的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方式。由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能。距离测量系统常用的频率范围为25KHz～300KHz的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录

发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。 第3.1 单片机的选择

单片机种类很多,根据本系统需要实现的功能,及够用、好用的原则,本文选择功耗低、性能高的A T89C51单片机。该单片机内含4 kB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器(RAM)。其具有40个引脚,32个外部双向输入输出(I O)端口,同时内含2个外中断口,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口。在编程方面,A T89C51既可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。其将通用的微处理

器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的F la sh存储器可有效地降低开发成本。

3章 单片机的测距系统 .

汽车倒车防撞报警系统结构

3.2 超声波发射与接受电路设计

超声波发射与接收电路是整个系统的重要部分，因此确定一种好的设计方案关系整个系统的精确性和安全可靠性。本文通过多种方案比较，以达到最佳方案确定。 设计方案一：

由施密特振荡器和数字功放电路组成，由P1.0口发出的同步脉冲信号如图3.1。它启动振荡器，输出40KHz的高频信号，经整形及功放电路，加至发射换能器，发出40kHz的超声波。接收电路主要由回波放大接收及比较控制电路组成，如图3.1所示。

图3.1接收控制及接口电路

初始，比较器A1同相端已经通过调整Rr，使其电压略高于2.5V。因此A1应输出高电平，但由于D1相位作用，A1输出低电平，即RS触发器的

=0，Q=1，

=1,，

=0。当P1.0发出启动信号，在A点形成正脉冲，经N1反相，

释放，Q=0，

=1，Q=0，

=0，D1相位

=1，

=1（正跳），T0计数器开始计数。脉冲过后，=1，

=1。回波信号经放大滤波，送至比较器A1的反相端，它是叠加在2.5V电

=1，Q=1，

=0

压上的交变40kHz的信号。它的前沿使A1输出低电平。=0，（负跳），即

获得负跳沿信号，CPU响应中断，T0计数停，计数值N1送存RAM。

由于发射探头和接收探头都是平行放置且距离较近，发射探头发射超声波时，接收探头会引起强烈的感应信号，因此必须将其隐去。当P1.0输出启动信号，主控同步脉冲加至比较器A2时，A2输出一个远大于2.5V的电压，经过D2降压后约为7.5V左右，加至A1同相端，又C2的延迟作用，A1同相端产生一定宽度和高度的方波，它的