单片机超声波测距系统+原理图+电路图+汇编源程序+LED模块 第3页
图1 .1 51系列单片机封装图1.4超声波简介
根据声音的频率不同，可分为很多种声波。人能听见声音的频率为20Hz～20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的 声音称为次声波，20kHz以上的声音称为超声波。它主要有以下特性:
（1） 声速特性 超声波速度受介质温度、压力等因素的影响,但在相同外部环境下,超声波在同一介质中的传播速度是一常数。这是所有超声仪表进行测量的基础。
（2） 反射特性 超声波从一种介质进入另一种介质时,由于两种介质密度不同,在两种介质分界面,其传播方向会发生改变,其中一部分折射入另一种介质,另一部分被反射回来。当超声波从固体传播到液体(或反过来) 时,声波因为传播的介质密度相近而几乎全部折射;当超声波从气体传播到固体或液体时,由于两种介质密度相差悬殊,声波几乎全部被反射,超声波测距仪充分利用了这一特性。
（3） 衰减特性 超声波在传播过程中,由于受介质和介质中杂质的阻碍或吸收,声波强度会产生衰减。
超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的 这种性质就可制成超声波传感器。另外，超声波在空气中传播速度较慢，为340 m/s，这就使得超声波传感器使用变得非常简单。
2 超声波测距仪的总体构想2.1 超声波测距的原理
单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离S＝Ct／2，式中的C为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收的设计方法。
表2.1 温度与波速的关系表
温度/℃ -20 -10 0 10 20 30 100
波速/m/s 319 325 323 338 344 349 386
由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。所以列出了几种不同温度下的波速,请看表2.1所示。在测距时由于温度变化，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定计算距离时的波速C，较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。波速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。
单片机(AT89C51)发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示。
2.2 常见的测距法本文来自优*文~论-文^网
目前最常用的测距法有两种:
(1) 超声波测距法:超声波是频率20kHz以上的机械振动波，利用发射脉冲和接收脉冲的时间间隔推算出距离。超声波测距法的缺点是波束较宽，其分辨力受到严重的限制，因此，主要用于导航和回避障碍物。
(2) 激光测距法:激光测距法也可以利用回波法，或者利用激光测距仪，其工作原理如下:氦氖激光器固定在基线上，在基线的一端由反射镜将激光点射向被测物体，反射镜固定在电动机轴上，电动机连续旋转，使激光点稳定地对被测目标扫描。由CCD(电荷耦合器件)摄像机接受反射光，采用图像处理的方法检测出激光点图像，并根据位置坐标及摄像机光学特点计算出激光反射角。利用三角测距原理即可算出反射点的位置。
由于我们是在实验室中进行的实验和设计，所以我们选用超声波测距法，这样会使成本降低。
2.3 超声波传感器
2.3.1 超声波传感器的原理及结构
超声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毕业论文
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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 的 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。
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