超聲波頻率較高而波長短，因而具有束射特性，可沿直線傳播、方向性好、繞射小、穿透力強、傳播速度慢，而且遇到雜質或分界面時會產(chǎn)生反射波。正由于超聲波具有以上特點，所以在測量領域，他的應用范圍越來越廣泛。

　　1 超聲波測距原理

　　超聲波傳感器分機械方式和電氣方式兩類，它實際上是一種換能器，在發(fā)射端它把電能或機械能轉換成聲能，接收端則反之。本次設計超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電式超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，就成為超聲波接收器。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個數(shù)越多，能量越大，所能測的距離也越遠。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。

　　Pellarn和Galt于1946年提出了脈沖回波法，其工作原理是：用超聲脈沖激勵超聲探頭向外輻射超聲波，同時接收從被測物體反射回來的超聲波（簡稱回波），通過檢測或估計從發(fā)射超聲波至接收回波所經(jīng)歷的射程時間ToF（Time of Flight），按下式計算超聲波探頭與被測物體之間的距離d,即：

?

　　其中c為聲波在空氣介質中的傳播速度。

　　2 系統(tǒng)構成

　　本系統(tǒng)硬件電路由單片機、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、測溫電路、顯示電路、報警電路等構成，如圖1所示。

?

　　3 系統(tǒng)程序設計

　　3.1 主程序

　　主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器TO工作模式為16位定時/計數(shù)器模式，總中斷允許位置1并給顯示端口清0;然后調用超聲波發(fā)生子程序送出若干個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起直射渡觸發(fā)，從發(fā)射開始一直到"虛假反射波"結束這段時間內(nèi)，不開放外部中斷（INTO）申請，便可有效躲避干擾，但同時也會造成測試"盲區(qū)".假設延時約0.1 ms后，才打開外部中斷接收返回的超聲波信號，當溫度為20℃，測量盲區(qū)為d=1×10-2×344=1.72 cm.

　　3.2 超聲波發(fā)生子程序和接收子程序

　　超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送超聲波換能器所需的40kHz的方波信號（脈沖寬度為12μs左右），同時把計數(shù)器TO打開進行計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行準確，所以采用匯編語言編程。

　　超聲波接收子程序利用外部中斷O檢測返回超聲波，一旦接收到返回超聲波信號（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷服務子程序，關閉定時器TO停止計時，并將測距成功標志位賦值1.如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則說明障礙物過遠，超出量程，將關閉外部中斷，并標志此次測距不成功。

　　最大測試距離將取決于：兩次脈沖群發(fā)送之間的最小時間間隔和脈沖的能量。一般來說，發(fā)射端脈沖個數(shù)越多，能量越大，所能測量的距離也越遠。但也不是無限制的，本方案是讀取定時器TO的計數(shù)值，最大能測試的距離是TO尚未溢出時檢測到超聲波回波信號，故在溫度20℃下，最大測試距離為。在一些周期性發(fā)射超聲波設備中，如果要測試的最大距離是10 m,則兩次脈沖群之間的最小時間為。

　　由于采用12 MHz的晶振，機器周期為1μs,當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器TO中的數(shù)值按式（1）計算，即可測得被測物與測距儀之間的距離，取20℃時的聲速為344 m/s.則有：

?

　　其中，T為計數(shù)器TO的計數(shù)值。

　　4 提高測量精度

　　4.1 溫度補償

　　由于超聲波的聲速與溫度有關，如果溫度變化不大，可認為聲速基本不變。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>

?

　　可知，超聲波在空氣中的傳播速度與溫度T（單位：攝氏度）有如下近似關系：

?

　　其中，C0為0℃時的聲波速度為331.45 m/s,T為實際溫度（℃）。在常溫下，溫度每變化1攝氏度，超聲波速度變化約為O.6 m/s,所以通過測溫電路測量出當前溫度，就可以計算出超聲波在當前溫度下的傳輸速度。

　　測溫電路采用的主要元器件是美國Dallas半導體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DSl8B20,其具有精度高、智能化、體積小、線路簡單等特點。

　　4.2 角度補償

　　由于發(fā)射與反射之間存在一定的夾角2α，當α很小時，可直接按式（1）計算距離；當α較大時，則必須進行距離修正，其修正公式為：

?

　　在式（3）中，夾角α與超聲波發(fā)射裝置和接收裝置的安裝位置有關，在實際應用中應保持兩換能器中心軸線盡量平行并相距2 cm~4 cm,在近距離測量時更要考慮角度補償。若能夠將超聲接收電路屏蔽起來，則可提高抗干擾性能。根據(jù)測量范圍可適當調整與接收換能器并接的濾波電容的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。

　　5 結論

　　為防止在測量過程中測距儀的抖動而引起的測量誤差，一般情況下應測量幾次取其平均值。由于系統(tǒng)的分辨率為1μs,系統(tǒng)引起的固定誤差約為0.3mm,再加上本設計只考慮了溫度補償和角度補償?shù)挠绊?，而沒有考慮其他環(huán)境因素（如：氣壓、濕度……）的影響，所以在測量的時侯給測量結果帶來了一定的誤差。

?