TECHNICAL EXPLORATION
技术探讨
超声波测距系统的设计
Ultrasonic Distance Testing System's Design
瞿金辉 周蓉生
成都理工大学（成都 ６１００５９）
摘 要：根据声波在空气中传播反射原理， 以超声波换能器为接口部件， 应用单片机技术对超声波在空气
中的传播时间进行测量， 设计了超声波检测系统。详细介绍系统硬件组成、检测原理、方法以及系统软件结构。
关键词：超声波 超声波测距 传感器 ＡＴ８９Ｃ５１
Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎ－ｓｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ａｉｒ， ａ ｓｕｉｔ ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Abstract：
ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏ（ＳＣＭ）ａｎｄ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎ－ ｓｄｕｃｅｒ． Ｔｈｅ ｕｎｉｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｗａｙｓ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．
Key words: Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒａｎｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ＡＴ８９Ｃ５１
超声波是一种频率超过20kHz的机械波。它沿直线传播，方向性好，传播距离较远，在介质中传播时在不同的分界面上会产生反射波。由于超声波具有以上特点，被广泛应用于测量物体的距离、厚度、液位等领域。利用超声波测量距离是一种有效的非接触式测距方法。
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，就成为超声波接收器。1.2 超声波测距原理
超声波传感器包括3部分：超声换能器、处理单
元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励，其受激后以脉冲形式发出超声波，接着超声换能器转入接收状态（相当于一个麦克风），处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析，判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。如果是，就测量超声波的行程时间，根据测量的时间换算为行程（超声波在空气中的速度可以近似为定值），再除以2，即为反射超声波的物体距离。其基本过程如图1所示。
目标超声换能器处理单元输出级1 超声波测距原理
1.1 超声波发生器
超声波发生器可以分为两大类：用电气方式和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。目前常用的是压电式超声波发发生器。
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。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，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，
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振幅发射脉冲回声脉冲发射脉冲接收时间脉冲周期图 1 超声波测距的基本原理图
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MOV 14H,#12H； 超声波发射200μsACALL LCALL LOOP2:
LOOP2； 产生40kHz的超声波DIS； 延时
2 超声波测距系统电路设计
综合考虑各方案的优缺点，以及成本和可行度1设计出以下这种测距方案。其系统框图如图2所示。
超声波发射放大驱动接收识别电路SJMP PULSE ； 反复发射CPL
P1.0
单片机主控（C51）显示电路NOP
DJNZ 14H ,LOOP2RET
单片机执行程序后，在P1．0端口输出一个40kHz
2.1 发射电路的设计
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。本超声波测距系统以ATC51为处理器，系统上电工作后,由脉冲发生器发出脉冲信号。该脉冲信号一方面通过驱动的电路推动脉冲发生器发出超声波脉冲；另一方面，触发ATC51内部定时器T1（由外部中断INT0实现）开始定时，同时等待接收信号，关闭定时器。
测距系统中的超声波传感器采用UCM40R的压电陶瓷传感器。它的工作电压是40kHz的脉冲信号，由单片机执行下面程序产生。PULSE:
R3390k12V
R4390k
12V
432回路滤波输出滤波V+输入1U2 UCM40R
567R12
10kC100.033
83.9k
输出地LM741
0.1μF
R11LN741
0.1μF
定时电容定时电阻超声波接收放 大R103.9k
时基振荡组成报警电路的脉冲信号，经过三极管放大，驱动超声波发射头UCM40R，发射40kHz的脉冲超声波，且持续发射200μs。
2.2 接收电路设计
接收电路采用图3所示电路。
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IC1IC2两极放大后加至IC。IC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f＝1/RC。电容C决定其锁定带宽，调节R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。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
+5
图 2 超声波测距框图
－＋
AR2
C8
－＋
AR3
C9
LM567
C11
C120.005μF
+5
R13
20k
图 3 接收电路
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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。2.3 显示电路设计
在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。静态显示，每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路即可，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，所以，用这种方法单片机中CPU的开销小。可以提供单独锁存的I/O接口电路很多，这里以常用的串并转换电路74LS1作为本系统的显示部分，如图4所示。
C51TXDRXD
74LS1
Q1···Q8
74LS1
Q1···Q8
74LS1
Q1···Q8
发完否？Y停止发射N开中断NY执行扩展功能发射超声波声光提示初始化定时器开始计算距离读时间差技术探讨
显示输出并提示N有回波？Y关中断返回图 5 系统程序流程图
H···A
H···A
H···A
4 结论
实验表明，本系统测量范围较大（最大限定15m），测量误差小，且所用元件都是常规部件，因而本系统具有较强的实用价值。
要满足更高的精度要求,还须进行适当改进，例如，可增加温度补偿单元；可以进一步改进接收电路，提高接收电路的反应速度；对于发射电路，可以直接采用硬件电路发生脉冲等。随着社会经济的快速发展，对于物理量的非接触性测量将会有更大的需求，超声波测距技术将会有更大的发展。
参考文献
图 4 74LS1同单片机连接图
在本系统中把要显示的数分别放在显示缓冲区60H-65H共6个单元中，并且分别对应各个数码管LED0-LED5。出口：将预置在显示缓冲区中的6个数成相应的显示字形码，然后输出到显示器中显示。2.4 声光提示电路
采用串口静态显示，由555组成时基振荡电路，能根据距离的远近音调不同的报警声，由于用单片机控制，所以报警功能很容易扩展。
3 软件设计方案
AT51单片机和其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、表达方式灵活、可进行结构化设计、可直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等诸多优点。本次设计的总程序采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成。
图5为主程序流程图。
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1 刘凤然.基于单片机的超声波测距系统.
2 戴曰章,吴志勇.基于ATC51单片机的超声波测距 外间距系统设计.
3 李建华.超声波传感器的特性及应用电子世界.
作者简介：瞿金辉，硕士研究生，研究方向为核探测技
术。
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