自动检测课程设计(DOC)

课程设计报告

超声波测距仪的设计

学院信息工程与自动化学院

学科专业自动化113

姓名

学号

指导老师陈焰

起止周次12周——16周

提交日期

摘要

由于现代生产要求，人们发现需要实现非接触式的生产测距，而超声波测距是一种性能良好的测距方式，主要应用于倒车雷达、工地以及一些工业现场，本文设计了一种以AT89S51单片机为核心的低成本、高精度、微型化LED显示超声波测距仪，并使用一些常用芯片如：74LS04等。系统由单片机、超声波发射电路、超声波放大电路以及显示电路构成。由芯片AT89S51控制计算机超声波从发射到接收的传送时间，从而得到待测距离。本系统具有易检测、软件功能完善、工作可靠、准确度高等优点。

本文论述了单片机技术研制成功的超声波测距仪的基本原理，测量计算方法，实现方案。采用软件校正，提高了测量精度和整机的可靠性。实际使用表明，极大的提高了安全性、可靠性和准确度。

已知超声波在空气中的传播速度，只要测得超声波往返的时间，就可以求出障碍物的距离。本系统以超声波传感器为基础，DSP芯片TMS320VC5402来控制完成数据采集、处理、显示和报警。首先由DSP控制发出超声波并开始计时。超声波遇到障碍物后反射，反射回来的衰减信号被超声波传感器接收。衰减信号被放大和A/ D 转换后输入到DSP 芯片进行处理。这样就得到了超声波的传输时间，从而计算出障碍物的距离。软件部分则是通过CCS 软件来完成的。

实验后表明：在障碍物距离较近时，所测距离精确度和重复性更高。该系统主要技术指标达到了设计要求。最后分析了误差原因，并提出了完善措施。

关键词：超声波、传感器、测距、单片机

目录

一、前言........................................ 错误！未定义书签。

1.1 超声检测发展综述 (1)

1.2 超声传感器介绍 (2)

1.2.1 超声传感器的原理及结构 (2)

1.2.2 超声传感器的特性 (4)

二、超声测距系统的总体方案 (5)

2.1 超声测距系统的总体思路 (5)

2.2 系统主要参数考虑 (6)

2.2.1 传感器的指向角θ (6)

2.2.2 测距仪的工作频率 (6)

2.2.3 发射脉冲宽度 (7)

2.2.4 测量盲区 (7)

2.3 发射电路的方案设计 (8)

2.3.1 发射波形 (8)

2.3.2 发射波形的数学模型 (8)

2.3.3 发射电压 (9)

2.4 接收放大器的方案设计 (9)

三、硬件电路设计 (10)

3.1 发射电路 (11)

3.2 接收电路 (11)

3.3放大和滤波电路 (12)

3.4 温度检测电路 (13)

四、系统软件设计 (13)

4.1 主程序 (14)

4.2超声波测距仪的算法设计 (14)

4.2 超声波发射程序和接收中断程序 (15)

五、总结 (15)

六、参考文献 (16)

一、前言

1.1 超声检测发展综述

高速度、高效率是现代工业的标志，而这是建立在高质量的基础之上的。设计和工艺人员理应了解：非均一的组织结构，随机出现的微观，宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现，评价。当然，这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力，使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计，研制，使用部门已被卓有成效的运用，1981 年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立 40 周年大会的贺信中就说过：“你们能够给飞机和空间飞行器，发电厂，船舶，汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。没有无损检测，我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。

随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。

随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的 2000A 型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并

可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。

目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置，还不使用环境，重复性测试内容等基本情况一样，才可充分发挥其特有功能。仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平。

1.2 超声波传感器介绍

1.2.1 超声波传感器的原理及结构

超声波传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1 压电传感器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。

压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。

传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，

且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为 f0

交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。

图1-1 双压电晶片示意图

双压电晶片如图 1-1 所示，当在 AB 间施加交流电压时，若 A 片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。

双压电晶片的等效电路如图 1-2 所示，C0静电电容，R 为陶瓷材料介电损耗并联电阻Cm 和 Lm 为机械共振回路的电容和电感，Rm 为损耗串联电阻。

压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 f0。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。

图1-2 双压电晶片等效电路

超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。

1.2.2 超声传感器的特性

超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性：

一、频率特性

图1-3 超声发射传感器频率特性

图 1-3 是超声波发射传感器的频率特性曲线。其中，f0＝40KHz 为超声发射传感器的中心频率，在 f0处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在 f0处所产生的超声声压能级最高。而在 f0两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率 f0的交流电压来激励。

另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在 f0处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在 f0处接收度最高。因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R 也有很大关系，如果 R 很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果 R 较小，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。并且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏度。

二、指向特性

实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。但离开超声传感器得空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性。图 1-4 是电路中选用得发射传感器的指向图。

图1-4 超声发射传感器指向图

超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是 0°时声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为 40°~80°，课题中超声发射传感器的指向角为 75°。

二、超声测距系统的总体方案

该超声测距系统的应用背景是基于 DSP 的超声信号检测中的先期部分。因此初步计划是在室内小范围的测距，限定在 4 米之内。本章将给出系统的总体思路和主要参数。

2.1 超声测距系统的总体思路

系统的设计及器件的选择也正是在这个基础上进行的，系统结构如图 2-1 所示。

图2-1 超声波测距系统原理框图

DSP芯片TMS320VC5402控制整个系统的运行。超声波发射电路采用典型的555 定时器信号发生电路, 555 定时器端口4 由TMS320LF2407 的IOSTRB 控制触发,发射出40 kHz 的方波,脉冲宽度取值为120μs。发送时间值的设定依据最大测距范围来设定。超声波经过固

体表面或者液面反射,由超声波传感器接收到已经衰减了的信号后,首先对接收到的信号进行放大,放大后的信号通过A/ D 转换器输入到DSP 芯片进行处理。

启动超声波测距系统进行测距时，首先由DSP发出40kHz的脉冲串，脉冲通过脉冲调制电路和信号放大电路发出超声波。DSP在发送脉冲的同时开始计时，超声波遇到障碍物后的回波被超声波接收换能器接收，其输出的信号的经过前置放大滤波，检波整形后处理后产生中断信号中断DSP的计时，这样得到了超声波的传输时间，然后在中断服务程序中根据测出的时间计算出距离并将标志位置1。中断返回后再发送下一串脉冲，如此反复。因为本系统测距精度要求很高，误差<0.5cm，所以通过对温度测量电路测量当时的空气温度，等到把数据送到DSP后使用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够达到要求对超声波的传播速度加以校正。超声波传播速度确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

2.2 系统主要参数考虑

2.2.1 传感器的指向角θ

传感器的指向角是声束半功率点的夹角，是影响测距的一个重要技术参数，它直接影响测量的分辨率。对圆片传感器来说，它的大小与工作波长λ，传感器半径 r 有关。

由(2π/λ)*r*sin(θ/2)=1.615 (2-1)选 f0=40KHz 时，λ＝C/f0=8.5mm。当 f0选定后，指向角θ近似与传感器半径成反比。指向角θ愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径 r 愈大。鉴于目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低成本，在不降低空间分辨率的条件下，选用国产现有压电传感器片最大半径 r=6.3mm，故θ=2*arcsin(1.615λ/2*π*r)=75°。

2.2.2 测距仪的工作频率

空气中超声波的衰减系数为α=αaαs=Af2+Bf4。所以，空气中超声波的衰减对频率很敏感，要求合理选择超声波频率，一般在 40KHz 左右。太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。

传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。工作频率的确定主要基于以下几

点考虑：

(1) 如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。

(2) 工作频率越高，对相同尺寸的还能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。

(3) 从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。

综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在 40KHz，定为 44KHz。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。

2.2.3 发射脉冲宽度

发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。

减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。

在具体设计中，比较了 24μs (1 个 40KHz 脉冲方波)，120μs( 5 个 40KHz 脉冲方波)，240μs (10 个 40KHz 脉冲方波)，720μs( 30 个 40KHz 脉冲方波)的发射脉冲宽度作为发射信号后的接收信号，最终选用 120μs (5 个 40KHz 脉冲方波)的发射脉冲宽度。

此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中。

2.2.4测量盲区

在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区，具体分析如下：

当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振（由于机械惯性作用）。因此，在一段较长时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平 VM ；另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平。当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。在超声波检测中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定的阈值 Vm，亦即接收信号的幅值必须大于这一阈值才能使接受放大器有输入信号。

2.3 发射电路的方案设计

2.3.1 发射波形

如图 2-2，传感器的振荡波形要经过一段时间才能达到稳定状态，理论上信号的幅度时指数上升的，Q 各周期后达到满幅度的 95%，1.5Q 个周期后达到 99%。为提高传感器的灵敏度，Q 值一般不能太低，为使传感器充分振荡起来，发射脉宽要求不能小于 Q 个振荡周期，才能使发射幅度基本达到最大。考虑到测量“盲区”，这里选择脉宽为 120μs，包含 5 个调制的 44KHz 的方波信号。

图2-2 发射波形

2.3.2 发射波形的数学模型

测距仪的发射波形如图 2-2，在规定时刻将一持续时间为τ的正弦波加到传感器上，然后关闭发射电路，打开接收通道，接收来自障碍物的反射波，其表达式为：u(t)= u0e-jw0t (0

0 其它 (2-1)

式中，w0为发射电压的载频，它等于超声传感器的串连谐振频率。由于超声传感器的带宽有一定限制，可等效于一谐振网络，在(3-1)式的激励下，其输出波形表达式为：U T(t)= K1u0(1-e-jw0t/2Q) e-jw0t (0

K1u0[1-(1- e-jw0t/2Q) e-jw0t/2Q] e-jw0t (t>τ) (2-2)

式中，K

1为传感器的电声转换系数；W

为传感器的谐振频率；Q 为传感器的品质因数。

2.3.3 发射电压

传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度，综合各种损耗的因素，包括往返传播损失，声波传输损失，声波反射损失，环境噪声损失；另外考虑实际发射传感器的最大输入电压为 20Vp-p，取发射电压为 15 Vp-p。

2.4 接收放大器的方案设计

接收预放大单元的作用是对有用的信号进行放大，并抑制其它的噪声和干扰，从而达到最大信噪比，以利检测单元的正确检测。

在传感器接收到的信号中，除了障碍物反射的回波外，总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声。室内环境中噪声主要集中在低频段，远离回波信号频率，因此系统的总噪声系数主要有接收机的内部噪声决定，其功率谱宽度远大于接收机的通频带。我们可以近似的将其作为白噪声处理，根据已有知识，输入为已知信号加白噪声的条件下，匹配滤波器的输出信噪比最大。匹配滤波器具有以下特点：

(1) 输出最大信噪比与信号波形无关

(2) 匹配滤波器对信号的幅度和时延具有适应性，即对只有幅度和出现时间不同的信号，它们的匹配滤波器是相同的。

(3) 匹配滤波器与相关接收和相关器具有等效性。实际上很难得到精确的匹配滤波器，由于单个射频脉冲的频谱是连续的，用普通的窄带滤波器就能把其主峰部分(w 附近)滤波出来，适当的选择滤波器的通带宽度就能取得与匹配滤波器相差不多的效果。

室内反射的回波信号可以看作是随机相位即幅度信号，这种随机性是因为发射信号的起振相位，介质中的反射特性和传播衰落等随机因素引起的，因此统计检验的假设为：H

:x(t)=n(t)

H

:x(t)=A*sin(wt+θ)+n(t)

1

其中幅度 A 和相位θ都是随机参量，它们在观测时间(0,T)内是常数，在不同的观测时间内随机的取值。假定相位θ及幅度 A 的先验概率密度分别为均匀分布及瑞利分布这正好等于 M，由于前面已提到匹配滤波器对信号的延迟时间和幅度具有适应性，等效为对只有初相θ和幅度 A 不同的信号，其匹配滤波器形式是相同的。

由上面的推导可知，最佳接收机的组成是信号匹配滤波器后接包络检波器。同时可以由式可知对任何 A 值，若 M 最大，则似然比最大，即使幅度的先验概率分布未知，也可确信检验统计量 M 是最佳的。

图2-3 信号放大器原理图

接收放大器的作用是放大有用信号，并抑止其它噪声与干扰，从而达到最大的信噪比，以利于检测电路的正确检测。放大器组成框图如图 2-3，采用三级放大电路。前置放大主要起阻抗匹配的作用，使输入信号功率最大。带通放大器选择最佳时间带宽积，以达到匹配滤波的效果。模拟开关起收发隔离的作用。在测量近距离时，模拟开关闭合，发射信号可以进入接收通道；测量远距离时，模拟开关断开，发射信号不可以进入接收通道。程控放大器分为 2 档，分别放大 10 倍和 100 倍，由控制端 A1，A0 控制。

三、硬件电路设计

超声波测距系统硬件部分主要包括：、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、温度检测电路。

3.1 发射电路

信号发射电路如图3-4所示，该电路由调制信号产生电路和信号放大电路组成，主要用来为超声波传感器提供发送信号。在超声波发射信号时，由555定时器产生激励信号源，

DSP信号处理器控制555定时器脉冲信号产生，使555定时器工作时产生调制脉冲信号的频率为40kHz，周期为30ms。由两个与非门组成的隔离电路主要功能是对输出级与脉冲产生电路进行隔离。输出级由两个集成运TL084CN 组成，由于超声波的发射距离与其两端所加的电压成正比，因此要求电路需要有足够大的驱动电压，所以在超声传感器两端可以得到两个极性完全相反的对称电压波形，即VB= -VA，故此加在超声波传感器两端的电压V= VA-VB= 2VA，其两端的电压大小可达到24V，从而保证超声波能够发送很远的距离，提高了测量的量程。

图3-4 发射电路

3.2 接收电路

超声波检测接收电路原理图如图3-5所示，超声波接收电路由集成电路CX20106A组成，该芯片是一款红外线检波接收的专用芯片，通常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控的载波频率38kHz与测距超声波频率40kHz比较接近，因此可以利用它作为超声波检测电路。

实践证明该接收电路具有较高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变C4的大小，可改变接受电路的灵敏度和提高其抗干扰能力。

图3-5 接收前置及带通放大电路

3.3 放大和滤波电路

放大电路和带通滤波电路如图3-6所示。由于超声波信号在空气中传播时会产生很大的衰减，故反射回去的超声波信号十分的微弱，不能直接送到后级电路进行信号处理，必须放大信号电压的幅度，才能使后级电路对其进行正确的处理。前置放大电路是由自举式同相交流放大电路集成运放组成的，具有较高的输入阻抗。此处电容作为隔直电容，电阻为偏置电阻，用来稳定放大器的静态工作点。带通滤波器采用的是二阶RC有源滤波器，可以用来消除超声波传播过程中所受干扰信号的影响。

图3-3 放大电路与带通滤波电路

3.4 温度检测电路

温度检测电路采用数字温度传感器DS18820对环境温度进行检测，它具有结构小巧、操作简便且功耗小的优点，被广泛用在各种温度测量的场合。从而对超声波的传播速度进行温度补偿，提高测量的精度。两个按键作用是用于控制测量的开始与停止以及距离与温度显示的切换。因此本电路多加上了温度补偿环节。

图3-4 超声波测距电路原理图

四、系统软件设计

超声波测距电路的软件程序主要由主程序、超声波发射程序、超声波接收程序及显示程序组成。C语言可以实现较复杂的算法，汇编语言具高效率且易精确计算程序运行时间，而超声波测距程序既要求有复杂的计算又要有精确计算程序运行时间，所以在超声波测距时控制程序可以采用C语言和汇编语言两种语言结合的混合编程形式。

4.1 主程序

图4-1 主程序流程图

主程序的流程图如图4-1所示，主程序首先是对系统初始化，设定时器T0工作模式为16位工作模式，并显示端口清零。然后调用超声波发射程序送出一个超声波脉冲信号，为了避免超声波在发射和接收引起直射触发形式，故此要设定一延时时间，该延时时间约为0.1ms随后才可以打开外中断0，接收返回的超声波信号。由于晶体管的晶振频率为12MHz，因此计数器每计一个数时间就是1μs，当主程序检测到接收成功的标志信号后，对计数器T0中的数(即超声波往返所用的时间)按式(7)计算，便可得到被测物体与测距器之间的距离。设计时取20℃时的超声波速度344m/s，

则有：H (vt)/2172T/1000cm0=×=cm (4-1)

将测出距离后结果以十进制BCD码方式送往液晶器显示时间约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。

4.2 超声波测距仪的算法设计

超声波测距的原理为超声波发生器T 在某一时刻发出一个超声波信号，当这个

超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R 所接收到。这样只要计算出

从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物

体的距离。距离的计算公式为：

d=s/2=(c×t)/2 （1）

其中，d 为被测物与测距仪的距离，s 为声波的来回的路程，c 为声速，t 为声波来回

所用的时间。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。

4.3 超声波发射程序和接收中断程序

超声波发射程序的作用是通过发送端口发送两个左右的超声波脉冲信号(信号频率

40kHz的，脉冲宽度为12μs左右的方波信号)，同时把计数器T0打开进行时。超声波测距器主程序利用外部中断0检测返回超声波信号，一接收到返回超声波信号，立即进入超声波接收中断程序系统。进入该中断后，关闭计时器T0，停止计时，并将测距成功标志字赋值为1。

当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号的情况下，则定时器T0溢出中断并关闭外中断0，并赋值标志字为2，表示本次测距不成功。

五、总结

随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。

六、参考文献

【1】王俊杰.检测技术与仪表. 第2版 .武汉理工大学出版社

【2】新型传感器使用手册.电子工业出版社.北京.2008年

【3】超声工业测量技术. 上海.上海人民出版社.1977 年

【4】李鸣华，余水宝.单片机在超声波料位测量中的应用.1998年第 9 期【5】关云龙. 超声检测. 北京：国防工业出版社，1987 年

【6】李丽霞. 单片机在超声波测距中的应用. 电子技术，2002 年第 6 期【7】荀殿栋. 数字电路设计实用手册. 北京电子工业出版社， 2003 年