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。
