超声波测距模块

超声波测距仪

一、摘要

随着社会的发展，超声波测距被广泛应用与各科学领域，针对我们电子竞赛而言，超声波测距更是我们做控制类的重点模块，本设计采用以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。本设计包括超声波发射电路、超声波接收电路、单片机的信号处理以及显示模块。发射端主要采用74LS04芯片，接收端采用CX20106A芯片。

关键词：AT89c51; 超声波；测距

二、系统方案及原理

超声波接受器 放大电路 检波电路 数码管显示 51单片机 超声波发射器 放大电路

当进行距离的测量时，由安装在同一水平线上的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收，并且同时启动定时器进行计数。首先由超声波发射探头发射超声波并同时启动定时器计时，超声波在空气中传播的途中一旦遇到障碍物后就会被反射回来，当接收探头收到反射波后就会给负脉冲到单片机使其立刻停止计时。这样，定时器就能够准确的记录下了超声波发射点至障碍物之间往返传播

所用的时间t（s）。由于在常温下超声波在空气中的传播速度大约为340 m/s，所以障碍物到发射探头之间的距离为：

S=340×t/2=170×t

因为单片机内部定时器的计时实际上就是对机器周期T的计数，而本设计中时钟频率fosc取12 MHz，设计数值N，则：

T＝12/fosc=1μs t=N×T＝N×0.000001（s）

S＝170×N×T＝170×N/1000000（m）

在程序中按式S＝170×N×T＝170×N/1000000计算距离。

三、硬件电路及原理

发射端原理图

图2-2

原理解释：

超声波发射电路原理图如图2-2所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声 波发射换能器T构成，单片机P0.1端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器 后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R16、R17一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超

声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。

工作时，由单片机产生40 kHz的脉冲从P0.1口向超声波的发射电路部分发出信号，再经74LS04放大电路放大后，驱动超声波探头将超声波发射出去。

74LS04 放大信号的工作原理：

超声波发射电路信号走向

上拉电阻的作用：

上拉电阻一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由震荡时间。

接收端原理图：

工作原理：

由于超声波在空气中的传播过程中是有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的倍数也要比较大。超声波接收电路主要是由集成电路CX20106A芯片电路构成的，CX20106A芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，当即单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。CX20106A芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能，当测量的距离比较近时，放大器不会过载；而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大增益效果。CX20106A芯片的5脚在外接电阻对它的带通滤波器的频率进行调节，而且不用再外接其他的电感，能够很好地避免外加磁场对芯片电

路的干扰，而且它的可靠性也是比较高的。CX20106A芯片电路本身就具有很的抗干扰的能力，而且灵敏度也比较高，所以，能满足本设计的要求。

关于CD20106A芯片：

1脚：

超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。 2脚：

该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7Ω，C1=1μF。 3脚：

该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μf。 4脚： 接地端。 5脚：

该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越

低。例如，取R=200kΩ时，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。 6脚：

该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。 7脚：

遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。 8脚：

电源正4.5～5.5V 极，

软件部分： 流程图：

开始 单片机初始化 超声波模块复位 发射超声波并启动T0开中断 接收到回波的同时中断停止 计算测量距离 显示距离 延时

系统主流程图

延时模块：

计时停止 中断关闭 距离计算处显示距离并根据距离判断是否报警 Y 指定的报警声开N 返回

小结

测量结果表明，此超声波模块的最大探测距离为5 m，精度可以达到cm，盲区为cm，而且发射扩散角不大于15°，更有利于测距的准确性。同时查阅资料得知将两探头之间的距离定在5 cm～8 cm最为合适，所以我们设计所用模块的超声波探头之间的距离大约在6 cm左右。