自制超声波测距仪

　　超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如 ：液位、井深、管道长度等场合。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，并且没有显示，操作使用很不方便。

　　本文以 Atmega16 单片机为核心，介绍如何制作一个低成本、高精度、微型化数字显示的超声波测距仪。

　　一、超声波测量原理

　　超声波是一种频率比较高、指向性强的声音。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。测距的公式表示为 ：

　　L=C×T

　　式中 L 为测量的距离长度，C 为超声波在空气中的传播速度，T 为测量距离传播的时间差 (T 为发射到接收时间数值的一半 )。已知超声波速度 C=344m/s(20℃室温 )。

　　超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系，近似公式为 ：

　　C=C0+0.607×T℃

　　式中 C0 为零度时的声波速度 332m/s，T 为实际温度 (℃ )。

　　二、硬件设计

　　以 Atmega16 为主控制单元，采用成品超声波模块，以按键作为用户输入，同时用 1602 液晶进行结果显示，总体框架如图 1 所示。

　　主控制单元 Atmega16 是基于增强的 AVR RISC结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达 1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。该高性能单片机完全符合本设计的要求，其最小系统原理图如图 2 所示。

图2 Atmega16最小系统原理图

　　按照模块化设计思想，本文将最小系统制作成单独模块，其最终实物如图 3 所示。

　　超声波模块采用批量生产的成品模块，大大降低了设计难度及制作成本。在本文刊头的照片就是超声波模块的实物。4 个引脚连接关系见图 4 的 U3。

图4 底板原理图

　　该模块具有如下特点 ：

　　1. 超微型尺寸，只相当于两个发射与接收头的面积。

　　2. 无盲区 (8mm 内成三角形时误差稍大 )。

　　3. 反应速度快，10ms 的测量周期，不容易丢失高速目标。

　　4. 发射头紧靠接收头，与被测目标基本成直线关系。

　　5. 模块上有 LED 指示，方便观察和测试。