| 超声波测距学习板 ----文章刊登于《无线电》杂志2008年7月
售价：198元/套
套装清单：
学习板：1块
外接电源：1个
RS232串口线（程序ISP下载使用）：1条
配套光盘（含学习板软硬件资料）：1份
概述
超声波测距学习板，可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。要求测量范围在0.27~4.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。
超声波测距原理
超声波发生器内部结构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，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波本时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。
超声测距大致有以下方法：
① 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离；
② 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t，故被测距离为 S=1／2vt。本测量电路采用第二种方案。由于超 声波 的声速 与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变 。如果测距精度要求很高，则应通 过温度补偿 的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
超声波测距学习板采用STC89C51单片机,晶振:12M,单片机用P1.0口输出超声波换能器所需的40K方波信号,利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号,显示电路采用简单的4位共阳LED数码管,断码用74LS245,位码用8550驱动.
超声波测距的算法设计: 超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15℃时）。X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，则有340m×0.03S=10.2m。由于在这10.2m的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离，
超声波测距器的系统框图如下图所示：
硬件部分
超声波测距学习板采用STC89C51单片机,晶振:12M,单片机用P1.0口输出超声波换能器所需的40K方波信号,利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号,显示电路采用简单的4位共阳LED数码管,断码用74LS244,位码用8550驱动. 主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用STC89C51来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。同时，我们的实验板支持串口ISP在线下载程序，如果您的计算机没有串口，该板支持USB转接线进行ISP下载的方式，非常方便；板载LCD1602液晶显示屏接口，支持电路外扩展，板上已预留40芯外扩展接口。
1.单片机系统及显示电路
我们给测距系统设计了两种显示电路，一种是数码管显示的人机接口；另一种是LCD1602字符型液晶屏显示接口，读者朋友可以根据自己的需求来修改程序，以使其通过不同的媒介显示相关信息。本文中，我们的例程是用4位数码管显示的，我们可以看到显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS245驱动，位码用PNP三极管Q1、Q2、Q3、Q4驱动，电路图中标号LCD1为1602液晶显示屏接口，电位器RP2用来调节液晶显示对比度。单片机系统及显示电路如下图所示.
超声波发射电路原理图
前面我们讲到过，我们用单片机的P1.0口输出超声波换能器所需的40K方波信号，如图所示。
超声波接收电路:
使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db。以下是CX20106A的引脚注释。
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：电源正极，4.5～5V。
PCB板板面图：
PCB顶层示意图
PCB底层示意图
元件布局图
下面，我们通过一系列的实验图片来看看超声波测矩的实际效果。
给超声波测距板接上外接电源，并把它放在靠墙边上，因为我们程序中所设定的最小测试距离为27cm，所以当超声波探头与障碍物之间的距离小于27cm时，数码管将显示最小测量值27cm，如图所示。
小于最小测量距离，数码管显示最小测量值27cm。
移动超声波板，数码管显示距离发出变化，如所显示当前值为34CM，由于实验拍照需要，当手拿着板子时，超声波探头摆放角度有所变化，所以可能存在数据误差。
数码管显示当前距离为47CM。
下面我们准备使用遥控小车板载超声波测距板进行动态移动实验。
把超声波板放在遥控小车身上，当前测距值为30CM。
遥控小车行驶于靠墙附近处，显示测矩值为27CM，此时实际距离已小于27CM。
通过遥控器控制小车向前行驶，当小车行驶超过27CM距离时，数码管开始实时显示当前测距值，如图所示为32CM。
再向前开，显示值增加到56CM。
小车继续前进，行驶至71CM。
软硬件调试及性能
超声波测距系统的制作和调试，其中超声波发射和接收采用Φ16的超声波换能器TCT40-16F1（T发射）和TCT40-16S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持发射探头和接收探头的中心轴线平行并相距4～8cm，其余元件无特殊要求。如果能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，那可以大大提高抗干扰能力。同时也可以根据测量范围及精度要求不同，适当地调整与超声波接头探头并接的滤波电容C4的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。
硬件电路制作中，应避免出现虚焊或焊接短路的情况，完成并调试好后，便可将单片机片内HEX或BIN程序文件下载到单片机芯片试运行。有兴趣的读者朋友，可以根据实际情况修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要，系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。
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