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考试项目10：超声波测距器的组装与调试

10.1 超声波测距原理

10.1.1 超声波和超声波传感器

超声波是一种只有少数生物（如蝙蝠、海豚）才能感觉到的机械波，其频率在20KHz以上，波长短，绕射小，能定向传播。它具有纵波（在气、液、固中传播）、横波（在固体中传播）和表面波（沿固体表面传播）三种波形，而且遇到杂质或传播界面会产生明显的反射。

超声波测距是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波），通过接收自身反射的超声波反射信号，根据超声波发出和回波接收时间差及传播速度，计算出传播距离，从而得到障碍物到测距器的距离。

用超声波测距就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传感器，超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理实现电能和超声波相互转化：在发射超声波的时候，将电能转换成超声振动发射出超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部结构如图10.1所示，它有两个压电晶片和一个晶振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电陶瓷片的固有震荡频率时，压电陶瓷片将会发生共振，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，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片做振荡，将机械能转化成电信号，这时它就成为超声波接收换能器了。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。

图10.1超声波传感器结构

超声波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40kHz、电压为200VAC pk-pk的方波电压时，薄片以同样的频率振动，从而产生频率为40kHz的超声波。当接收回波时，超声波传感器内有一个调谐电路，使得只有频率接近40kHz的信号才能被接收，而其它频率的信号则被过滤。

超声波是一种一定频率范围的声波。它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同媒质的界面，会产生反射现象。利用这一特性，就可以根据测量反射波与发射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其主要有三种测量方法：

(1)相位检测法

相位检测法虽然精度高，但检测范围有限 (2)声波幅值检测法

声波幅值检测法易受反射波的影响 (3)渡越时间检测法

超声波测距的原理一般采用渡越时间法。首先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得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即

D?其中D为传感器与被测障碍物之间的距离，c为声波在介质中的传输速率。在空气中声波传波传输速率为:

其中T为绝对温度

ct2

c?co1?T/273m/s

在测距精度不是很高的情况下，一般认为c为常数340m/s。

超声波传感器既可以作为发射器又可以作为接收器，传感器用一段时间发射一串超声波束，只有待发送结束后才能启动接收，设发送波束的时间为D，则在D时间内从物体反射回的信号就无法捕捉；另外，超声波传感器有一定的惯性，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，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。此超声波最近可以测量37cm。

表7.1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。

表7.1 不同温度下超声波声速表

温度／℃ 声速c/m/s

-30 313

-20 319

-10 325

0 323

10 338

20 344

30 349

100 386

c0?331.4m/s

10.2 超声波测距器电路

超声波测距器的系统框图设计如图10.2所示，主要由单片机及数码管显示电路、超声波发射电路、超声波接收电路组成。

图10.2 超声波测距器电路原理框图

1.电源电路

电源电路如图10.3所示，输入交流经VD1～VD4桥式整流及平滑电容C1滤波后得到不稳定8～12V直流电压，经过稳压模块7805后稳定的直流电压。

图10.3 电源原理图

2.单片机系统及显示电路

单片机系统及显示电路如图10.4所示，单片机采用89S52或其兼容系列，用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减少测量误差。

单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40KHz的方波信号，经反相器后来控制超声波的发送；单片机利用外中断0口检测超声波接收电路输出的返回信号，它不断检测INT0引脚的情况，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波发、收所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。

显示用4位数码管，数码管位选信号用PNP三极管8550驱动。

图10.4单片机系统及显示电路

3.超声波发射电路

超声波发射电路原理图如图10.5所示。发射电路主要由反向器CD4069和超声波发生换能器T构成，单片机P1.0的端口输出 40KHz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。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。

图10.5超声波发射电路原理图

4.超声波(检测)接收电路

超声波(检测)接收电路原理图如图10.6所示。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38KHZ与测距的超声波频率40KHZ较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很高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。