超声波测距仪 规划教材汇总.docx
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超声波测距仪规划教材汇总
项目9：
超声波测距仪的调试与检测
9.1项目描述
近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。
随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。
超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。
超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。
正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。
随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。
一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。
由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。
因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。
可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。
因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。
因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。
同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。
1.项目的功能和性能
（1）支持距离探测；
（2）支持距离实时显示；
2.主要技术参数
（1）额定工作电压：
＋9V±20%。
（2）最小工作电压：
>7V。
（3）极限工作电压：
≤12V。
（4）探测距离：
0.35m～5m。
（5）工作频率：
40KHz。
9.2理论知识
9.2.1实时距离测量的种类
1.超声波测距
声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。
所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。
譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。
科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹（Hz）。
我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz～20000Hz。
当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时，我们便听不见了。
因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。
自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。
超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本质上的区别。
但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。
与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性。
超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，在介质中传播的距离较远，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。
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，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。
优点：
（1）对雨，雪，雾穿透能力强，衰减小，
（2）测距原理简单，制作方便，成本低，
缺点：
（1）超声波的传播速度相对电磁波来说慢的多，当汽车在高速公路上以每小时上百公里速度行驶时，超声波测距无法跟上车距实时变化，误差大。
（2）方向性差，发散角大。
由于发散使能量大大降低，另一方面使分辨力下降，导致将邻车道的车辆或路边的物体作为测量目标
2.雷达测距
雷达概念形成于20世纪初。
雷达是英文radar的音译，为RadioDetectionAndRanging的缩写，意为无线电检测和测距的电子设备。
雷达所起的作用和眼睛和耳朵相似，它的信息载体还眼睛接收的可见光不同，而是无线电波。
事实上，不论是可见光或是无线电波，在本质上是同一种东西，都是电磁波，传播的速度都是光速C，雷达与可见光的差别在于它们各自占据的频率和波长不同。
其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息（目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等）。
测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。
图9-1雷达测距系统款框图
对于车载雷达，一般选用60GHz、120GHz、180GHz波段，对应的波长为毫米级，故成为毫米波雷达。
雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。
因此，它不仅成为军事上必不可少的电子装备，而且广泛应用于社会经济发展（如气象预报、资源探测、环境监测等）和科学研究（天体研究、大气物理、电离层结构研究等）。
优点：
（1）毫米波雷达采用的是波长在1厘米以下，频率30GHZ以上的高频电磁波，波长短，沿直线传播且穿透能力强，几乎不受气象条件的影响。
（2）不但可以探测目标的距离，还可测出相对速度和方位。
缺点：
（1）价格昂贵，
（2）需要防止电磁波干扰由于存在其它通讯设施电磁波干扰以及雷达装间的相互影响，容易发生误动作。
3.激光测距
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。
它的亮度约为太阳光的100亿倍。
激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到1960年激光才被首次成功制造。
它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。
激光测距（Laserdistancemeasuring）是以激光器作为光源，利用激光对目标的距离进行准确测定。
激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。
根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。
激光测距一般采用两种方式来测量距离：
脉冲法和相位法。
脉冲法测距的过程是这样的：
测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。
光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。
1961年，第一台军用激光测距仪通过了美国军方论证试验，对此后激光测距仪很快就进入了实用联合体。
激光测距以其重量轻、体积小、操作简单速度快而准确等优点而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距。
图9-2激光脉冲测距仪的光学原理图
优点：
快，准，远，抗干扰，无盲区，测距精度可达厘米甚至毫米级，比微波雷达高近100倍，测角精度理论上比微波雷达高一倍以上。
缺点：
遇到下雨或大雾等恶劣天气，穿透能力差，导致无法使用。
4.视频图像测距
视频图像的动态测距，与传统的微波雷达测距、激光测距、超声波测距相比其采集信息的方式是非侵犯性的，不会像外界环境传播信号。
该测距方式采用人们最感知的视觉方式，便于视觉化，立体化，方便快捷，同时该测距方式应用范围广，特别是智能交通系统中。
21世纪的视觉测距必将成为测距技术的发展趋势。
表9-1测距技术对比
探测方法
超声波
激光雷达
毫米波雷达
视频系统
最大探测距离
10m
150m
≥150m
≥100m
分辨率
30mm
1mm
10mm
差
方向性
90
1.0
2.0
由棱镜决定
响应时间
较慢
快
快
一般
温度稳定性
一般
好
好
一般
环境适应性
穿透能力强
穿透能力强
适应性强；穿透能力强
穿透能力差
硬件价格
低
高
高
高
9.2.2超声波测距原理
1.超声波的特性
声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。
当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限（20000Hz）时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。
超声波的特性有：
（1）束射特性
由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。
即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。
（2）吸收特性
声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。
对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。
对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。
（3）超声波的能量传递特性
超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要原因还在于比声波具有强大得多的功率。
当声波进入某一介质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率—样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。
频率愈高速度愈大。
物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外，主要是由分子的振动速度的平方决定的，所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量。
超声波的频率比普通声波要高出很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量；换句话来说，超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。
（4）超声波的声压特性
当声波进入某物体时，由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。
由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。
2.测距原理
最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。
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面的距离s，即：
s=340t/2。
由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关。
在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。
如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。
声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。
这就是超声波测距仪的基本原理。
如图9-3所示：
图9-3超声波的测距原理
（9-1）
（9-2）
式中：
L---两探头之间中心距离的一半.
又知道超声波传播的距离为：
（9-3）
式中：
v—超声波在介质中的传播速度；
t—超声波从发射到接收所需要的时间。
将（9-2）、（9-3）代入（9-1）中得：
（9-4）
其中，超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数（例如在温度T=30度时，V=349m/s）；当需要测量的距离H远远大于L时，则（9-4）变为：
（9-5）
所以，只要需要测量出超声波传播的时间t，就可以得出测量的距离H。
9.2.3元器件介绍
1.驱动芯片—反相器74HC04
由集成电路芯片产生的40kHz的方波需要进行放大，才能驱动超声波传感器发射超声波，发射驱动电路其实就是一个信号放大电路，本系统所选用的是74HC04集成芯片。
74HC04内部集成了六个反相器，同时具有放大功能。
74HC04的管脚如图9-4所示。
图9-474HC04管脚图
2.放大器LM324
LM741是一单运放集成芯片，图9-5为LM741管脚图。
图9-5LM741管脚图
3.显示器
本系统为简单起见，采用的是最为常用的LED数码管显示。
LED（Light-EmittingDiode，发光二极管）有七段和八段之分，也有共阴和共阳两种。
LED数码管结构简单，价格便宜。
图9-6示出了八段LED数码显示管的结构和原理图。
图9-6（a）为八段共阴数码显示管结构图，图9-6（b）是它的原理图，图9-6（c）为八段共阳LED显示管原理图。
八段LED显示管由八只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g和SP，分别与同名管脚相连。
七段LED显示管比八段LED少一只发光二极管SP，其他与八段相同。
图9-6八段LED数码显示管原理和结构
对LED数码管的显示可以分为静态和动态两种。
静态显示的特点是各LED管能稳定地同时显示各自字形；动态显示是指各LED轮流地一遍一遍显示各自字符，人们由于视觉器官惰性，从而看到的是各LED似乎在同时显示不同字形。
为了减少硬件开销，提高系统可靠性并降低成本，很多采用LED数码管显示的系统通常采用动态扫描显示。
4.超声波发射接收头
（a）（b）
图9-7超声波发射、接收头（a）实物图（b）结构图
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。
构成晶片的材料可以有许多种。
晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的。
超声波传感器的主要性能指标：
（1）工作频率：
压电晶片的共振频率。
当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
（2）工作温度：
由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。
医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
（3）灵敏度：
主要取决于制造晶片本身。
机电耦合系数大，灵敏度高;反之，灵敏度低。
9.3项目原理
9.3.1项目框图
项目的系统框图如图9-8所示。
图9-8系统框图
各部分的原理及功能如下：
①信号源电路：
由555组成超声波脉冲信号发生器。
②载波发生器电路：
由555组成超声波载波信号发生器，以提高抗干扰能力。
③驱动电路：
将载波信号放大到足以驱动超声波探头，使探头发射足够高强度的超声波。
④放大电路：
反射回来的超声波信号经超声波接受探头接收后，送入放大电路，完成信号放大，一般放大倍数为1000倍。
⑤信号比较电路：
比较和测量从发出的检测脉冲和该脉冲被反射回来的时间差。
⑥测量计数电路：
完成单位时间内的脉冲个数计算。
显示电路：
用来读出计数值，并以十进制数的形式由数码管显示出来。
9.3.2功能电路图
由单片机AT89C51编程或是555定时芯片产生40kHz的方波输出，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。
发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理，送至单片机。
单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。
不采用单片机计算也可以采用硬件电路搭建，通过计算脉冲数得到距离值。
该测距装置是由超声波传感器、发射/接收电路和LED显示器组成。
传感器输入端与发射接收电路相连，接收电路输出端与单片机相连接，单片机的输出端与显示电路输入端相连接。
其时序图如图9-9所示。
图9-9超声波发射接收时序图
系统在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。
计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。
1.发射电路
信号源由两块555集成电路组成，电路如图9-10。
图9-10信号源电路
（1）脉冲信号发生器
IC1（555）组成超声波脉冲信号发生器，工作周期计算公式如下，实际电路中由于元器件等误差，会有一些差别。
条件:
R1=9.1MΩ、R2=150KΩ、C1=0.01μF
TL=0.69×R2×C=0.69×150×103×0.01×10-6=1ms（9-6）
TH=0.69×（R1+R2）×C1=0.69×9250×103×0.01×10-6=64ms（9-7）
（2）载波信号发生器
IC2组成超声波载波信号发生器。
由IC1输出的脉冲信号控制，输出1ms频率40kHz，占空比50％的脉冲，停止64ms。
计算公式如下：
条件:
R3=1.5KΩ、R4=15KΩ、C2=1000pF
TL=0.69×R4×C=0.69×15×103×1000×10-12=10μs（9-8）
TH=0.69×（R3+R4）×C=0.69×16.5×103×1000×10-12=11μs（9-9）
f=1/（TL+TH）=1/（（10.35+11.39）×10-6）=46.0KHz（9-10）
由于信号源输出的信号较小，难以驱动超声波传感器工作使其达到较远的探测距离，因此需要对其进行放大，本项目采用的是CD4069反相器进行放大（采用74HC04亦可）组成超声波发射头驱动电路,如图9-11。
图9-11超声波发射电路
2.接收电路的设计
超声波接收头接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号比较弱，需经过放大。
本系统采用了LM741（IC4）对接收到的信号进行放大，接收电路如图9-12所示。
超声波接收头和IC4组成超声波信号的检测和放大。
反射回来的超声波信号经IC4的2级放大1000倍（60dB），第1级放大100倍（40dB），第2级放大10倍（20dB）。
由于一般的运算放大器需要正、负对称电源，而该装置电源用的是单电源（9V）供电，为保证其可靠工作，这里用R10和R11进行分压，这时在IC4的同相端有4.5V的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。
图9-12接收信号放大电路
3.信号处理电路设计
（1）倍压检波
C9、D1、D2、C10组成的倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送至IC5进行处理。
图9-13信号处理电路
IC5、IC6、IC7、IC8、IC9组成信号比较、测量、计数和显示电路，即比较和测量从发出的检测脉冲和该脉冲被反射回来的时间差。
它是超声波测距电路的核心，下面分析其工作原理。
（2）信号比较
由Ra、Rb、IC5组成信号比较器。
其中
Vrf=（Rb×Vcc）/（Ra+Rb）=（47KΩ×9V）/（1MΩ+47KΩ）=0.4V
所以当A点（IC5的反相端）过来的脉冲信号电压高于0.4V时，B点电压将由高电平"1"到低电平"0"，如图9-14所示。
同时注意到在IC5的同相端接有电容C11和二极管D3，这是用来防止误检测而设置的。
在实际测量时，在测距仪的周围会有部分发出的超声波直接进入接收头而形成误检测。
为避免这种情况发生，这里用D3直接引入检测脉冲来适当提高IC5比较器的门限转换电压，并且这个电压由C11保持一段时间，这样在超声波发射器发出检测脉冲时，由于D3的作用使IC5的门限转换电压也随之被提高，并且由于C11的放电保持作用，可防止这时由于检测脉冲自身的干扰而形成的误检测。
由以上可知，当测量距离小到一定程度时，由于D3及C11的防误检测作用，其近距离测量会受到影响。
图示参数的最小测量距离在40cm左右。
适当减小C11的容量，在环境温度为20°C时可做到30cm测量最短距离。
图9-14比较器电压波形
IC6组成R-S触发器构成时间测量电路。
可以看出，在发出检测脉冲时（A端为高电平），D端输出高电平，当收到反射回来的检测脉冲时，C端由高变低，此时D端变为低电平，故输出端D的高电平时间即为测试脉冲往返时间。
图9-15时间测量电路
计数和显示电路由IC6、IC7、IC8、IC9组成，IC7组成计数电路脉冲发生器，原理图如下。
（3）计数时钟源
图9-16计数时钟源
其工作频率f=1/（2.2×C×R）。
电路频率设计在17.2kHz左右。
这个频率是根据声波在环境温度为20℃时的传播速度为343.5m/s确定的。
有关计算如下：
测量距离为1m的物体时，声波的往返时间为：
2m/343.5（m/s）=5.82ms。
这时计数器显示应为100，即1m，此时计数电路脉冲发生器的频率f＝100/（5.82×10-3）=17.18（kHz）。
如电容C（即C14）为2200pF，此时电阻
R=1/（2.2xCxf）=1/（2.2x2200x10-12x17.18x103）=12KΩ
由于在不同的环境温度下，声波的传播速度会不同，为适应不同环境温度下测量的需要，我们要求电阻R具有一定的调节范围，这里用VR2，VR3进行调节，其中VR2为粗调电阻，VR3为精调电阻。
同样我们可以算出在不同温度下的计数脉冲频率值，如：
温度为46.5℃时，
f=1/（2.2xCxR）=1/（2.2x2200x10-12x11.5x103）＝17.97KHz
环境温度为1.5℃时
f=1/（2.2xCxR））=1/（2.2x2200x10-12x12.5x103）=16.53KHz
实际上，在不同环境温度下时，我们只要测试标准距离1m，调节计数电路脉冲发生器的频率（VR2和VR3），使其显示为100即可。
（3）计数控制
图9-17计数控制电路
这里简单介绍一下计数器的清零及数据锁存过程。
A点波形即表现测试脉冲往返的时间，当A点电位由低变高时，由于C1电压不能突变，故B点会产生一个复位脉冲信号使计数器清零，同时IC6内与非门被打开，IC8开始通过CLOCK脚计数；同样当A点电位由高变低时，由于C2电压不能突变，故C点会产生一个锁存脉冲信号使计数器数据被锁存，同时IC6的有关与非门被关闭，IC8开始停止计数，完成计数过程。
4.显示电路
图9-18显示电路
4511与LED1—LED3、TR1－TR3组成显示电路，C15用于控制显示部分的刷新频率，当C15为1000pF时，刷新频率为1100Hz。
9.3.3项目PCB
项目PCB图如图9-19所示。
图9-19PCB图
9.3.4元件清单
表9-2超声波测距仪元件清单
序号
名称
封装
数量
编号
描述
1
0.047uF
0805
2
C4，C5
无极性电容
2
56pF
0805
2
C6，C7
3
0.1uF
0805
2
C2，C3
4
100uF
CAPPR7.5-16x35
1
C1
极性电解电容
5
5.1K
0805
3
R8，R10，R12
电阻
6
100K
0805
3
R4，R9，R11
7
500ohm
0805
1
R1
8
10K
0805
3
R2，R5，R17
9
16K
0805
2
R13，R14
10
51K
0805
1
R16
11
1N4007
DIO10.46-5.3x2.8
1
D1
二极管
12
CD4001
DIP14
1
U8
或非门
13
CD4049
DIP14
1
U7
反相器
14
CD14011
DIP14
1
U15
2输入与非门
15
CD4023
DIP14
升级会员 