超声波测距模块的设计与实现

　　0 引言

　　在多数项目研发中，距离测量显得越来越重要，常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距等4种。雷达测距对天气的依赖性较强，且成本较高;红外测距测量范围窄;激光测距精度高、抗干扰力强、但成本高，且光学系统需细心维护;超声波测距指向性强、传输距离远、受环境影响小、传播时间容易检测，而且超声波传感器结构简单、性能可靠、成本低、易于集成，因此本文采用超声波方式进行距离测量。

　　1 超声波测距原理

　　超声波发生器内部有两个压电晶片和一个共振板，当两极外加脉冲信号的频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波;同理，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片产生振动，将机械能转换为电信号。

　　测距原理如图1所示。

　　被测距离。式中：s为超声波传播距离;h为发射探头与接收探头之间的距离。

　　由于s远大于h，因此可近似认为d=s，则d=s=ct/2，t为发射超声波与接收超声波的时间间隔，c为超声波在空气中的传播速度。

　　在空气中，常温下超声波的传播速度是334m/s，但其传播速度c易受空气中温度的影响，声速与温度关系如表1所示，由此可修正超声波传播速度

　　可见，只要测得超声波发射和接收回波的时间差t以及环境温度T，就能得到较为精确的距离。

　　2 方案设计

　　2.1 电路设计

　　设计的超声测距模块由超声波发射单元、超声波接收单元、温度测量单元、液晶显示单元和ISP下载单元等部分构成，系统框图如图2所示。

　　2.1.1 单片机单元

　　单片机是整个系统的控制核心，本文选用AT89S51，测量时，由单片机输出40 kHz左右的脉冲信号，驱动超声波发射器发出超声波脉冲，同时启动单片机计时器，开始计时。超声波达到目标时回传，经空气传播被超声波接收器接收，此时计时停止，经计算可得超声波从发射到接收的时间间隔t，从而得到距离数据。

　　2.1.2 超声波发射单元

　　考虑到单片机端口驱动能力有限，本文采用LM386对输出信号进行功率放大，LM386多用于音频放大，也可用于超声波发射。如图3所示，LM386第1脚和第8脚之间串接的E1、R1，可使电路获得较大的增益，T0为单片机输入的脉冲信号，经功率放大后由第5脚输出，驱动探头发射超声波。

　　2.1.3 超声波接收单元

　　为了顺利接收回波信号，本文采用索尼公司生产的集成芯片CX20106，如图4所示，CX20106是一款红外线检波接收的专用芯片，由于红外遥控常用的载波频率38kHz与超声波频率40kHz比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0可由其5脚外接电阻调节，范围为30～60 kHz，因此本文采用它来做接收电路。