超声波测距器

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（套件已组装好的实物图）

(布线图)

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（3D实物图）

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超声波测距器的组装与调试

10.1 超声波测距原理

10.1.1超声波和超声波传感器

超声波是一种只有少数生物（如蝙蝠、海豚）才能感觉到的机械波，其频率在20KHz以上，波长短，绕射小，能定向传播。它具有纵波（在气、液、固中传播）、横波（在固体中传播）和表面波（沿固体表面传播）三种波形，而且遇到杂质或传播界面会产生明显的反射。

超声波测距是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波），通过接收自身反射的超声波反射信号，根据超声波发出和回波接收时间差及传播速度，计算出传播距离，从而得到障碍物到测距器的距离。

用超声波测距就必须产生超声波和接收超声波，完成这种功能的装置就是超声波传感器，超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理实现电能和超声波相互转化：在发射超声波的时候，将电能转换成超声振动发射出超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部结构如图10.1所示，它有两个压电晶片和一个晶振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电陶瓷片的固有震荡频率时，压电陶瓷片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将讶压电晶片做振荡，将机械能转化成电信号，这时它就成为超声波接收换能器了。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

超声波传感器里面有一个圆形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一层金属薄膜，在其背面有一个铝制的后板。薄片和后板构成了一个电容器，当给薄片加上频率为40kHz、电压为200VAC pk-pk的方波电压时，薄片以同样的频率振动，从而产生频率为40kHz的超声波。当接收回波时，超声波传感器内有一个调谐电路，使得只有频率接近40kHz的信号才能被接收，而其它频率的信号则被过滤。

超声波是一种一定频率范围的声波。它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同媒质的界面，会产生反射现象。利用这一特性，就可以根据测量反射波与发射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其主要有三种测量方法：

(1)相位检测法

相位检测法虽然精度高，但检测范围有限

(2)声波幅值检测法

声波幅值检测法易受反射波的影响

(3)渡越时间检测法

超声波测距的原理一般采用渡越时间法。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离.

 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，将讶压电晶片作振动，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(咨询特价)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。

超声波学习板采用51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(咨询特价)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，

10.2 超声波测距器电路

超声波测距器的系统框图设计如图10.2所示，主要由单片机及数码管显示电路、超声波发射电路、超声波接收电路组成。

                              （套件原理图）

（……以上为部分资料，需要更详细资料请向掌柜索取，谢谢！）