超声波测距模块的设计与实现

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摘要：本文设计并实现了一个以MCS-51单片机为核心的超声波测距模块。该模块由超声波发射单元、超声波接收单元、温度测量单元、显示单元和ISP下载单元等组成，由单片机产生超声波的发射信号并对其传播时间进行测量，依据超声波在空气中的传播特性，换算出距离数据，从而实现测量距离的目的。设计中采用LM386作为超声波的发射驱动，采用集成芯片CX20106作为超声波接收单元，结构简洁，集成度高。通过实验表明，该模块性能可靠，能较准确地测出与障碍物之间的距离，达到了设计要求。
关键词：超声波测距；MCS-51单片机；LM386；CX20106

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。




??? 回波信号先经过CX20106内部的前置放大器和限幅放大器，将信号调整到适当的幅值，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚，7脚与单片机INT0连接，当接收到与滤波器中心频率相符的回波信号时，输出端7脚即输出低电平，触发中断。
2．1．4 温度测量、液晶显示与ISP单元
??? 温度测量单元选用1Wire总线器件DS18B20作为传感器，实现对温度数据的采集，液晶模块实现测量数据的显示，ISP单元实现程序代码的在系统下载，电路图从略。
2．2 软件设计
??? 软件部分主要包括主程序和中断服务子程序，如图5所示。主程序主要完成系统初始化、温度读取和超声波发射；中断服务子程序主要完成计数值的读取、距离计算、输出显示等工作。





3 实验结果及分析
??? 表2是利用本文的测距模块实际测量的结果。由表中数据可见，在30cm范围内误差较大，这是由于超声波信号的发射必须有一个上升时间，如果距离太近单片机难以及时处理回波信号，无法正确检测回波到达时间，因而测量误差明显增加；而距离在30em以上时，由于引入温度补偿单元，因而误差相对较小。





4 结束语
??? 本文设计的超声波测距模块，采用了集成元件LM386、CX20106作为发射和接收的核心器件，并引入了DSl8B20作为温度补偿单元，因此结构简单、集成度较高、可靠性较强，通过实验验证，测量结果与实际距离相近，基本满足测量要求。