超聲波測距原理
超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。
超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。
測距的公式表示為：L=C&TImes;T
式中L為測量的距離長度;C為超聲波在空氣中的傳播速度;T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半)。
超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數(shù)量級。
由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們設(shè)計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。
超聲波測距儀制作方案
方案一：利用分立模塊的超聲波測距儀
系統(tǒng)包括超聲波測距模組、LED數(shù)碼顯示模組、驅(qū)動模組控制模組及電源五部分。
超聲波測距模塊主要由發(fā)射部分和接收部分組成，超聲波的發(fā)射受主控制器控制(如圖1所示);超聲波換能器諧振在40KHz的頻率，模塊上帶有40KHz方波產(chǎn)生電路。
顯示模塊是一個8位段數(shù)碼顯示的LCD;測量結(jié)果的顯示用到三位數(shù)字段碼，格式為X點XX米，同時還用兩位數(shù)字段碼顯示數(shù)據(jù)的個數(shù)。
電源采用9V的DC電源輸入，經(jīng)穩(wěn)壓管后得出5V以及3.3V的電源供系統(tǒng)各部分電路使用。
圖1 超聲波測距的結(jié)構(gòu)
方案二：基于PIC16F876A單片機的超聲波測距儀
超聲波測距儀主要以單片機PIC16F876A為核心，其發(fā)射器是利用壓電晶體的諧振帶動周圍空氣振動來工作的.超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時 ，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計時。一般情況下，超聲波在空氣中的傳播速度為340m/ s，根據(jù)計時器記錄的時間t ，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 s，即s=340&TImes;t/2， 這就是常用的時差法測距。
在測距計數(shù)電路設(shè)計中，采用了相關(guān)計數(shù)法，其主要原理是：測量時單片機系統(tǒng)先給發(fā)射電路提供脈沖信號，單片機計數(shù)器處于等待狀態(tài)，不計數(shù);當信號發(fā)射一段時間后，由單片機發(fā)出信號使系統(tǒng)關(guān)閉發(fā)射信號，計數(shù)器開始計數(shù)，實現(xiàn)起始時的同步;當接收信號的最后一個脈沖到來后，計數(shù)器停止計數(shù)。
雙向超聲波測距儀的系統(tǒng)主要有幾下部分組成(如圖2所示)： LED顯示模塊，PIC16F876A芯片，超聲波發(fā)射模塊，超聲波接收模塊，電源模塊等五大模塊組成。
圖2 系統(tǒng)設(shè)計總體框圖
1.2方案選取
由于本次課程設(shè)計是數(shù)模電路設(shè)計，，并且考慮到單片機編程對于小組成員都不熟悉，調(diào)試將遇到更大困難。方案一電路都為所學(xué)知識搭建，原理比較熟悉，故采用了硬件電路較復(fù)雜的方案一。
