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1、51单片机设计测距仪原理及其简单应用1、40kHZ超声波发射/接收电路 综述40kHZ超声波发射电路（140kHZ超声波发射电路之一，由F1F3三门振荡器在F3的输出为40kHZ方波，工作频率主 要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。F3的输出激励换能器T40-16的一端和反向 器F4, F4输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。电容C3、C2 平衡F3和F4的输出，使波形稳定。电路中反向器F1F4用CC4069六反向器中的四个反向器，剩 余两个不用40kHZ超声波发射电路之二，电路中晶体管VT1、VT2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超 声波
2、换能器T40-16的共振频率。T40-16是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。T40-16 两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。S是电源开关，按一下S，便能驱动T40-16 发射出一串40kHZ超声波信号。电路工作电压9V，工作电流约25mA。发射超声波信号大于8m。电 路不需调试即可工作。40kHZ超声波发射电路（340kHZ超声波发射电路之三，由VT1、VT2组成正反馈回授振荡器。电路的振荡频率决定于反 馈元件的T40-16，其谐振频率为40kHZ2kHZ。频率稳定性好，不需作任何调整，并由T40-16作 为换能器发出40kHZ的超声波信号。电感L1与电容C2调谐在40
3、kHZ起作谐振作用。本电路适应 电压较宽40kHZ超声波发射电路之四，它主要由四与非门电路CC4011完成振荡及驱动功能，通过超声 换能器T40-16辐射出超声波去控制接收机。其中门YF1与门YF2组成可控振荡器，当S按下时， 振荡器起振，调整RP改变振荡频率，应为40kHZ。振荡信号分别控制由YF4、YF3组成的差相驱动 器工作，当YF3输出高电平时，YF4 一定输出低电平；YF3输出低电平时，YF4输出高电平。此电 平控制T40-16换能器发出40kHZ超声波。电路中YF1YF4采用高速CMOS电路74HC00四与非门电 路，该电路特点是输出驱动电流大大于15mA），效率高等。电路工作电压
4、9V，工作电流大于 35mA，发射超声波信号大于10m。40kHZ超声波发射电路（540kHZ超声波发射电路之五，由LM555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路，调节 电阻器RP阻值，可以改变振荡频率。由LM555第3脚输出端驱动超声波换能器T40-16，使之发射 出超声波信号。电路简单易制。电路工作电压9V，工作电流4050mA。发射超声波信号大于8m。 LM555可用NE555直接替代，效果一样。双稳态超声波接收机电路由于单稳态接收机无记忆功能，所以不能用在家用电器的开与关中，适用面不宽。是一种双稳 态超声波接收机电路，它的前级电路同图2-186电路完全一样，只是执行电路不同。
5、电路中，由VT5、VT6及相关辅助元件构成双稳态电路，当VT4每导通一次发射机工作一 次），触发信号经C7、C8向双稳电路送进一个触发脉冲，VT5、VT6状态翻转一次，当VT6从截止 状态转变成导通状态时，VD5截止，VT7截止，继电器K释放；当再来一个触发信号时，VT6由导 通转变为截止状态，VD5导通，VT7导通，继电器K吸合由于增加了双稳电路，使之用于电灯、电扇、电视等电器遥控成为现实。调试时，在a点与+6V电源）之间用导线快速短路一下后 松开，继电器应吸合或释放），再短路一下松开，继电器应释放或吸合），如果继电器无反 应，请检查双稳电路元件焊接质量和元件参数。一般情况下一次即可成功。单
6、稳式超声波接收器电路单稳式超声波接收器电路原理图，超声波换能器R40-16谐振频率为40kHZ，经R40-16选频后， 将40kHZ以外的干扰信号衰减，只有谐振于40kHZ的有用信号发射机信号）送入VT1VT3组成的 高通放大器放大，经C5、VD1检出直流分量，控制VT4、VT5组成的电子开关带动继电器K工作。 由于该电路仅作单路信号放大，当发射机每发射一次超声波信号时，接收机的继电器吸合一次吸 合时间同发射机发射信号时间相同），无记忆保持功能。可用作无线遥控摄象机快门控制、儿童 玩具控制、窗帘控制等。电路中VT1P 2200，VT2P N150，其他元件自定。电路不需调试即可工 作。如灵敏度
7、和抗干扰不够，可检查三极管的8值与电容C4的容量是否偏差太大。经实测，配合 相应的发射机，遥控距离可达8m以上。在室内因墙壁反射，故没有方向性。电路工作电压3V，静 态电流小于10mA。2单片机实现测距原理单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和 接收回波的时间差tr，然后求出距离S = Ct/2,式中的C为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的 夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。 为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器
8、分别作为多路超声波发射 /接收的设计方法。由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关，表1。列出了几种不同温度 下的波速。表1波速与温度关系装温度 / 匚20-100102&301U0波速 /m/s3193253233脂344M3S6图Z融际系掀原理枢图在测距时由于温度变化，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定计算距离时的波速C,较精确 地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。波速确定后，只要测得超声波往返的时 间r，即可求得距离5。其系统原理框图如图2所示。单片机（AT89C51发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁
9、相环 对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间t，再由系统软件对其进行计算、判 别后，相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示，若测得的距离超出设定范围系统将提示声 音报警电路报警。AT89C51通过外部引脚P2. 0输出脉冲宽度为25 / us、载波为40kHz的超声波脉冲串，加到射随 器的基级，经功率放大推动超声波发射器发射出去。超声波接收器将接收到的反射超声波送到放 大器进行放大，然后用锁相环电路进行检波。经处理后输出低电平，送到AT89C51的引脚利用该 原理设计的实例：汽车防撞雷达3. 1系统硬件设计汽车防撞雷达可以帮助驾驶员及时了解车周围阻碍情况，防止汽车在转弯、倒
10、车等情况下撞伤、 划伤。其接收部分硬件电路如图3所示，发射、预置控制、显示部分硬件电路如图4所示。甫，推收部分侵浒电踌图nn ik, a w j ,：.sP3. 2,提供给软件进行处理。经过AT89C51对接收到的信息进行处理后，被测的距离茬LED上 显示，显示的数据由串口线RXD和TXD输出到74LS164,转化为并行数据控制LED的显示，采用动 态显示。两位LED可表示4. 90. 1 m的距离，满足显示精度；若该距离小于预置的汽车低速安 全刹车范围（如：1 2或0. 5m，报警电路发出适当的警告提示音，由P2. 1的输出控制报警电路 的工作。3. 2系统软件设计汽车防撞雷达根据超声测距原
11、理用AT89C51单片机开发设计。整个软件采用模块化设计，由主程 序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。软件设计的主要思路是将预置、发射、接收、显示、声音报警等功能编成独立的模块，在主程序 中采用键控循环的方式，当按下控制键后，在一定周期内，依次执行各个模块，调用预置子程 序、发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量的结果进行分析处理，根据处理结果 决定显示程序的内容以及是否调用声音报警程序。当测得距离小于预置距离时，声音报警程序被 调用。图5所示为程序的流程图。醐P3 2 口电乞漆足时修0中的根据早遮 lIHMlft.轴所用的娘尚打津RAM中 以川的内罪为蓉地
12、址的就埴一个他元中Ilf 7.程导流程能小Fi川垃时产程序，m PJO UK：l： UL.*鞋冲艰.我完后甘劫定时器。升皓讪位期耳示17序.布鬲中id录饨容讶至LED整成控则匡上知序用始懑二闵川做置孑程序，F助位置报警新电&ft P2 1 口口厘报警电路.JlifliTf.i 14结语利用51系列单片机设计的测距仪便于操作、读数直观。经实际测试证明，该类测距仪工作稳定， 能满足一般近距离测距的要求，且成本较低、有良好的性价比。由于该系统中锁相环锁定需要一 定时间，测得的距离有误差，在汽车雷达应用中此误差为3C111可忽略不计；但在精度要求较高 的工业领域如机器人自动测距等方面，此误差不能忽略，
13、只有通过改变-些硬件的应用实现对超 声波的快速锁定，使误差进一步减小到0. 31llnl，可以满足更高要求。T/R-40超声波传感器8元/对T/R-40防水型超声波传感器18元/只CJ-1超声波测距电路模块:0.24-5M:180元CJ-1B超声波测距电路 模块（232接口 :0.24-5M :228元CJ-2声波测距电路板0.3-3m :98元，套件:90元.CJ-3超声波测距学习板成品:138.散件：130元（测距范围：0.10-4.00M,测量精度：1厘M超声波测距电路板：0.24-10M:289 元超声波移动物体探测模块:60元单片机万年历学习板:成品：138散件:130元超声波测距系
14、统的电路设计一、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、超声波测距原理1、超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超
15、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，如果两电极间未 外加电压，当共振板接
16、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、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
17、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。 i l! -PUZEL: MOV 14H, #12H ；超声波发射持续 200 sHERE: CPL P1.0 ；输出 40kHz 方波NOP ；NOP ；NOP ；DJNZ 14H,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40kH
18、z的脉冲超声波，且持续发射200 s。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:RECEIVE1： PUSH PSWPUSH ACCCLR EX1；关外部中断1JNB P1.1, RIGHT ； P1.1引脚为0,转至右测距电路中断服务程序JNB P1.2, LEFT ； P1.2引脚为0,转至左测距电路中断服务程序RETURN： SETB EX1；开外部中断 111 / 11
