超声波测距原理

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1、一、引言一、引言 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。本文所介绍的三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。 二、二、 超声波测距原理超声波测距原理 1、 超声波发生器 为 了研究和利用超声波，人们

2、已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生 超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用 途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 2、压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图 1 所 示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声 波。反之，如果两电

3、极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 3、超声波测距原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为图 1 超声波传感器结构340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 这就是所谓的时间差测距法。 三、三、 超声波测距系统的电路设计超声波测距系统的电路设计 本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片

4、机选用 8751，经济易用，且片内有 4K 的 ROM，便于编程。电路原理图如图 2 所示。其中只画出前方测距电路的接线图，左侧和右侧测距电路与前方测距电路相同，故省略之。 1、40kHz 脉冲的产生与超声波发射 测距系统中的超声波传感器采用 UCM40 的压电陶瓷传感器，它的工作电压是 40kHz 的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。 PUZEL： MOV 14H, #12H；超声波发射持续 200s HERE： CPL P1.0 ；输出 40kHz方波 NOP ； NOP ； NOP ； DJNZ 14H，HERE； RET 前方测距电路的输入端接单片机 P1.0 端口，单片机执行上

5、面的程序后，在 P1.0 端口输出一个 40kHz 的脉冲信号，经过三极管 T 放大，驱动超声波发射头 UCM40T，发出 40kHz 的脉冲超声波，且持续发射 200s。右侧和左侧测距电路的输入端分别接 P1.1 和 P1.2 端口，工作原理与前方测距电路相同。 2、超声波的接收与处理 接收头采用与发射头配对的 UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器 IC1A和 IC1B两极放大后加至 IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块 LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4决定其锁定带宽。调节 R8在发射的载频上，则 LM567 输入信号大于 25mV，输出端8 脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。 前方测距电路的输出端接单片机 INT0 端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门 IC3A的输出接单片机 INT1 端口，同时单片机 P1.3 和P1.4 接到 IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。部分源程序如下：