超声波测距仪的设计研究
超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，测量精度高，被广泛地用于距离测量的领域。目前，市场上超声波测距仪成本高销售价格比较昂贵。本文拟设计一种低成本超声波测距仪，以期为该类型超声波测距仪的生产提供参考。
1.超声波测距工作原理
压电式超声波换能器是目前较为常用超声波传感器，主要有两个压电晶片和一个共振板组成。它是利用压电晶体的谐振来工作的本文由论文联盟http://收集当压电式超声波换能器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。同理，两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将带动压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时压电式超声波换能器就成为超声波接收器了。
在超声探测电路中，发射端发射一个方波，一般取40khz。这个超声波在发射之后遇到障碍物反射回来再由探测电路接收，这个时间间隔即为超声波的传输时间。实际上这个时间为波形传输2倍距离的延时。一般的在常温常压下这个时间为一个常数，一般在精度不高的情况下取331.45米／秒。被测物距离越大，时间脉冲宽度越大，与被测距离成正比。测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，故被测距离为s=i／2vt。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。利用超声波测量距离，设计方便，设计处理与计算也简单，并且测量精度能达到毫米级。
本超声波测距仪是利用at89c52单片机，发出40khz信号，再利用外中断0监测超声波接收电路输出的返回信号。WwW.11665.cOm显示电路采用简单的lcd液晶显示模块。超声波驱动电路采用与非门进行波形整形和放大。超声波接收放大采用cx20106芯片，外部电路也比较简单。超声波测距仪框图见图1。
2.超声波测距仪的硬件设计
超声波测距仪的硬件设计包含电路系统设计、超声波发射电路、超声波检测接受电路、led显示电路等部分。其中，电路系统设计一般有5部分，即单片机系统、超声波发射器、显示器、超声波检测接受器、电源电路。笔者设计的超声波测距仪单片机at89c52，经济实用，便于编程。同时，为减少测量误差、获得稳定的时钟频率，则使用12mhz的晶振，其精度比较高。超声波测距仪的硬件设计电路原理，见图2，
3.超声波测距的算法设计
假定超声波传输的时间脉冲宽度为0.002s，实际上由发射到障碍物的时间为0.001s，则发射器到障碍物的距离为331.45m／s×0.001s=33.145cm。其中，331.45m／s为超声波在空气中传播速度。可见如果发射器到障碍物的距离小于10cm，则要求单片机的中断反应时间是非常短的，常常为微秒级。故可采用定时器方式2非常适合。但是在测量距离较远的情况下超声波传输时间会达到毫秒级。这时就会发生多次定时器溢出的情况，在这种情况下，一般可以采用对多次定时器溢出进行计数统计的方法进行时间计算。为了能够使测距仪能够在近距离和远距离都能够具有一定的测量精度，这就要求程序能够判断不同的情况进行不同的时间统计计算。另外由于单片机在运算时考虑到运算速度应采用无符号的整形数据变量，在数值上应对计算公式进行处理比如当波速取331m／s时应变为0.0331cm／us。这样在进
行计算时可以先将数值扩大100或1000倍在乘
以传播的脉冲宽度时间。例如传播时间为100us，则经过处理的数值为33×100=3300。这样在输出数值时只需将数值显示为3.3cm就可以了。怎样完成由数值到显示字符的变换呢？首先要根据需要将数值的每一位存入不同的变量，在利用数值与其ascii码的关系进行变换即可。同时小数点也是这个时候加进去的。可见，只要能够利用好近似计算就能够保证测量的精度，同时也能兼顾测量速度。
4.超声波测距的软件设计
主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序以及显示子程序是超声波测距的软件设计的核心部分。主程序采用c语言编写，超声波发生子程序采用汇编语言编程。
主程序调用超声波发生子程度送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射触发，需要延时0.1ms，才打开外中断0接收返回的超声波信号。当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器to中的数进行计算，可得被测物体与测距器之间的距离。当设计时取20℃时的声速为为344m／s，则有：
d=（cxt）／2=172*t0／10000cm
其中to计数器to的计数值。
值得一提的是，在设计软件时一定要考虑到不同距离超声波传播时间的大小和将来测量误差的关系，利用实验的方法进行误差修正，使无论将系统用于大距离和小距离测距时都能保证较精确的测量。同时在显示结果时注意考虑到测量结果是否在测量范围内，做出准确的判断和显示，这样才能保证测距仪有良好的人机互动。
5.超声波测距的调试结果
根据电路参数和程序，笔者设计的超声波测距器可测量范围为0.35-3.8m。试验中对测量范围0.35-3.8m内的平面物体做了30次平行测试，测距器的最大误差不超过4cm，重复一致性比较好。此外，在试验中发现，若能将超声接收电路用金属壳屏蔽起来。则可提高抗干扰性能。
6.结语
笔者设计的超声波测距仪系统设计简单、成本低廉、体积较小、性能稳定，可应用于无接触式距离测量，如测深、测高等，具有很强的实用价值与很好的市场前景。
