超声波测距.docx

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超声波测距

40kHZ超声波发射/接收电路 综述  

40kHZ超声波发射电路

（1）    

   40kHZ超声波发射电路之一，由F1~F3三门振荡器在F3的输出为40kHZ方波，工作频率主要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。

F3的输出激励换能器T40-16的一端和反向器F4，F4输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。

电容C3、C2平衡F3和F4的输出，使波形稳定。

电路中反向器F1~F4用CC4069六反向器中的四个反向器，剩余两个不用（输入端应接地）。

电源用9V叠层电池。

测量F3输出频率应为40kHZ±2kHZ，否则应调节RP。

发射超声波信号大于8m。

40kHZ超声波发射电路

（2）    

 40kHZ超声波发射电路之二，电路中晶体管VT1、VT2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器T40-16的共振频率。

T40-16是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。

T40-16两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。

S是电源开关，按一下S，便能驱动T40-16发射出一串40kHZ超声波信号。

电路工作电压9V，工作电流约25mA。

发射超声波信号大于8m。

电路不需调试即可工作。

40kHZ超声波发射电路（3）    

  40kHZ超声波发射电路之三，由VT1、VT2组成正反馈回授振荡器。

电路的振荡频率决定于反馈元件的T40-16，其谐振频率为40kHZ±2kHZ。

频率稳定性好，不需作任何调整，并由T40-16作为换能器发出40kHZ的超声波信号。

电感L1与电容C2调谐在40kHZ起作谐振作用。

本电路适应电压较宽（3~12V），且频率不变。

电感采用固定式，电感量5.1mH。

整机工作电流约25mA。

发射超声波信号大于8m。

40kHZ超声波发射电路（4）    

  40kHZ超声波发射电路之四，它主要由四与非门电路CC4011完成振荡及驱动功能，通过超声换能器T40-16辐射出超声波去控制接收机。

其中门YF1与门YF2组成可控振荡器，当S按下时，振荡器起振，调整RP改变振荡频率，应为40kHZ。

振荡信号分别控制由YF4、YF3组成的差相驱动器工作，当YF3输出高电平时，YF4一定输出低电平；YF3输出低电平时，YF4输出高电平。

此电平控制T40-16换能器发出40kHZ超声波。

电路中YF1~YF4采用高速CMOS电路74HC00四与非门电路，该电路特点是输出驱动电流大（大于15mA），效率高等。

电路工作电压9V，工作电流大于35mA，发射超声波信号大于10m。

40kHZ超声波发射电路（5）    

 40kHZ超声波发射电路之五，由LM555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路，调节电阻器RP阻值，可以改变振荡频率。

由LM555第3脚输出端驱动超声波换能器T40-16，使之发射出超声波信号。

电路简单易制。

电路工作电压9V，工作电流40~50mA。

发射超声波信号大于8m。

LM555可用NE555直接替代，效果一样。

双稳态超声波接收机电路

 由于单稳态接收机无记忆功能，所以不能用在家用电器的开与关中，适用面不宽。

是一种双稳态超声波接收机电路，它的前级电路同图2-186电路完全一样，只是执行电路不同。

   电路中，由VT5、VT6及相关辅助元件构成双稳态电路，当VT4每导通一次（发射机工作一次），触发信号经C7、C8向双稳电路送进一个触发脉冲，VT5、VT6状态翻转一次，当VT6从截止状态转变成导通状态时，VD5截止，VT7截止，继电器K释放；当再来一个触发信号时，VT6由导通转变为截止状态，VD5导通，VT7导通，继电器K吸合......由于增加了双稳电路，使之用于电灯、电扇、电视等电器遥控成为现实。

调试时，在a点与+6V（电源）之间用导线快速短路一下后松开，继电器应吸合（或释放），再短路一下松开，继电器应释放（或吸合），如果继电器无反应，请检查双稳电路元件焊接质量和元件参数。

一般情况下一次即可成功。

单稳式超声波接收器电路

 单稳式超声波接收器电路原理图，超声波换能器R40-16谐振频率为40kHZ，经R40-16选频后，将40kHZ以外的干扰信号衰减，只有谐振于40kHZ的有用信号（发射机信号）送入VT1~VT3组成的高通放大器放大，经C5、VD1检出直流分量，控制VT4、VT5组成的电子开关带动继电器K工作。

由于该电路仅作单路信号放大，当发射机每发射一次超声波信号时，接收机的继电器吸合一次（吸合时间同发射机发射信号时间相同），无记忆保持功能。

可用作无线遥控摄象机快门控制、儿童玩具控制、窗帘控制等。

电路中VT1β≥200，VT2β≥150，其他元件自定。

电路不需调试即可工作。

如灵敏度和抗干扰不够，可检查三极管的β值与电容C4的容量是否偏差太大。

经实测，配合相应的发射机，遥控距离可达8m以上。

在室内因墙壁反射，故没有方向性。

电路工作电压3V，静态电流小于10mA。

超声波测距电路设计

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。

本文所介绍的三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。

二、超声波测距原理

1、超声波发生器

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：

一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

2、压电式超声波发生器原理

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。

超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。

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，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，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器了。

3、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

图1超声波传感器结构

这就是所谓的时间差测距法

三、超声波测距系统的电路设计

图2超声波测距电路原理图

本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用8751，经济易用，且片内有4K的ROM，便于编程。

电路原理图如图2所示。

其中只画出前方测距电路的接线图，左侧和右侧测距电路与前方测距电路相同，故省略之。

1、40kHz脉冲的产生与超声波发射

测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。

puzel：

mov14h,#12h；超声波发射持续200ms

here：

cplp1.0；输出40kHz方波

nop；

nop；

nop；

djnz14h，here；

ret

前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。

右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，工作原理与前方测距电路相同。

2、超声波的接收与处理

接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。

IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4决定其锁定带宽。

调节R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。

前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口，同时单片机P1.3和P1.4接到IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。

部分源程序如下：

receive1：

pushpsw

pushacc

clrex1；关外部中断1

jnbp1.1,right；P1.1引脚为0,转至右测距电路中断服务程序

jnbp1.2,left；P1.2引脚为0,转至左测距电路中断服务程序

return：

SETBEX1；开外部中断1

popacc

poppsw

reti

right：

；右测距电路中断服务程序入口

ajmpreturn

left；左测距电路中断服务程序入口

ajmpreturn

3、计算超声波传播时间

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：

PUSHPSW

PUSHACC

CLREX0；关外部中断0

MOVR7,TH0；读取时间值

MOVR6,TL0

CLRC

MOVA,R6

SUBBA,#0BBH；计算时间差

MOV31H,A；存储结果

MOVA,R7

SUBBA,#3CH

MOV30H,A?

SETBEX0；开外部中断0

POPACC?

POPPSW

RETI

四、超声波测距系统的软件设计软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图3（a）（b）（c）所示。

主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。

定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。

五、结论

对所要求测量范围30cm~200cm内的平面物体做了多次测量发现，其最大误差为0.5cm，且重复性好。

可见基于单片机设计的超声波测距系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。

因此，它不仅可用于移动机器人，还可用在其它检测系统中。

用AT89C2051设计超声波测距仪

摘要：

本文介绍了AT89C2051单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距原理的基本上，指出了设计测距仪的思路和所需考虑的问题，给出了实现超声波测距方案的软、硬件设计系统框图。

该设计系统经校正后，其测量精度可达0.1米。

关键词：

超声波换能器测距AT89C2051

超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：

液位、井深、管道长度等场合。

目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，并且没有显示，操作使用很不方便。

本文介绍一种以AT89C2051或GSM97C2051单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路