超聲波測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)以MCS-51單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距模塊。該模塊由超聲波發(fā)射單元、超聲波接收單元、溫度測(cè)量單元、顯示單元和ISP下載單元等組成，由單片機(jī)產(chǎn)生超聲波的發(fā)射信號(hào)并對(duì)其傳播時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，依據(jù)超聲波在空氣中的傳播特性，換算出距離數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量距離的目的。設(shè)計(jì)中采用LM386作為超聲波的發(fā)射驅(qū)動(dòng)，采用集成芯片CX20106作為超聲波接收單元，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，集成度高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該模塊性能可靠，能較準(zhǔn)確地測(cè)出與障礙物之間的距離，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距；MCS-51單片機(jī)；LM386；CX20106

0 引言
在多數(shù)項(xiàng)目研發(fā)中，距離測(cè)量顯得越來(lái)越重要，常用的測(cè)距方式主要有雷達(dá)測(cè)距、紅外測(cè)距、激光測(cè)距和超聲測(cè)距等4種。雷達(dá)測(cè)距對(duì)天氣的依賴性較強(qiáng)，且成本較高；紅外測(cè)距測(cè)量范圍窄；激光測(cè)距精度高、抗干擾力強(qiáng)、但成本高，且光學(xué)系統(tǒng)需細(xì)心維護(hù)；超聲波測(cè)距指向性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、受環(huán)境影響小、傳播時(shí)間容易檢測(cè)，而且超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低、易于集成，因此本文采用超聲波方式進(jìn)行距離測(cè)量。

1 超聲波測(cè)距原理
超聲波發(fā)生器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板，當(dāng)兩極外加脈沖信號(hào)的頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波；同理，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片產(chǎn)生振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
測(cè)距原理如圖1所示。

被測(cè)距離。式中：s為超聲波傳播距離；h為發(fā)射探頭與接收探頭之間的距離。
由于s遠(yuǎn)大于h，因此可近似認(rèn)為d=s，則d=s=ct／2，t為發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔，c為超聲波在空氣中的傳播速度。
在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是334m／s，但其傳播速度c易受空氣中溫度的影響，聲速與溫度關(guān)系如表1所示，由此可修正超聲波傳播速度

可見(jiàn)，只要測(cè)得超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t以及環(huán)境溫度T，就能得到較為精確的距離。