一 : 超声波测距的原理

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。

（www.61k.com”图1

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。

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：L=C×T

式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。

超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。

超声波测距误差分析

根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

时间误差

当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907μs。

在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。

超声波传播速度误差

超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系，如表1所示。

已知超声波速度与温度的关系如下：

式中： r —气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，

R —气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，

M—气体分子量，空气为28.8×10-3kg·mol-1，

T —绝对温度，273K+T℃。

近似公式为：C=C0+0.607×T℃

式中：C0为零度时的声波速度332m/s；

T为实际温度(℃)。

对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5cm。

二 : 超声波测距系统原理及接收电路研究

    本文介绍了超声波测距系统原理，针对超声波测距系统中常用的40 kHz超声波信号，提出了超声波接收电路设计原则，采用了集成运放OP27构成的同相放大器、仪表放大器、CX20106A红外接收芯片3种方案来检测超声波信号，设计了3种方法对应的接收电路，分析了各自的特点。(www.61k.com）

   CX20106A超声波是指振动频率高于20 kHz的机械振动，其指向性好，能量集中，穿透能力强，在传输过程中衰减较小等优点，同时具有光的反射、折射、聚焦等一系列特征。超声波检测具有速度快、成本低、精度高、可操作性强、工作稳定，适合短距离测量定位。因此其在生产，科研，生活等方面有着非常广泛的应用。超声波测距具有实时，不受环境干扰，非接触等一系列优点。在超声波测距系统中，系统采用频率为40 kHz的超声波信号，文中主要针对该频率的超声波信号接收电路进行设计。

    1 超声波测距原理

    超声波的测距原理如图1所示，超声波发射器在MCU控制下由B1向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物立即返回来，测距系统在B2接收到反射波就立即停止计时。在标准情况下，超声波在空气中的传播速度为340 m／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，声速确定后，要测得超声波往返的时间，即可求得距离，这就是超声波测距的基本原理。在超声波测距系统中，通常发射与接收探头之间有一定距离，为了提高测量精度，需要考虑图l中指示夹角θ。

    其中，超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数，当需要测量的距离H远远大于L时，则(4)变为：。所以，只要需要测量出超声波传播的时间t，就可以得出测量的距离H。

    2 超声波接收电路设计原则

    在信号检测处理整个过程中，超声波探头接收的信号非常微弱，只有毫伏级，其不可避免地要受到各种干扰的影响，这必定给信号处理带来困难。为了确保检测信号的准确性，超声波接收电路的设计必须注意：1)接收电路必须是低噪声的放大器，因其身的就是一个噪声源，而前端输出的信号很小可能淹没在放大器的噪声中。2)连接接收电路与超声波接收探头时注意阻抗匹配。3)接收电路应具有足够的带宽和增益。

    3 超声波接收电路

    3．1 同相放大器

    同相放大器构成的超声波接收电路如图2所示，在电路中，放大部分采用的是低噪声运放OP27由构成的同相放大器，由于接收到的信号幅度为毫伏级，所以需要将其放大500倍使得其接收到的信号不会被干扰信号给掩盖。在第一级的放大电路中，R2取值为470 kΩ，R1取值为10 kΩ；在第二级放大电路中，R6的取值为100 kΩ，R5的取值为10 kΩ；平衡电阻R3和R4为平衡电阻，取值均为10 kΩ。第一、二级放大增益：

   
    由(5)、(6)式知超声波接收电路增益为：Af=Af1·Af2=528

    电路特点：1)电路输入阻抗为达数十MΩ，输出阻抗只有数十Ω，其带负载能力较强。2)电路抑制干扰能力较差，温漂严重。3)电路采用低噪声运放OP27，在一定程度上降低了放大器自身噪声，但同时也限制电路的带宽，在电路增益为500时，带宽为60 kHz。
3．2 仪表放大器
   仪表放大器是精密差动电压放大器，其源于运算放大器，但优于运算放大器，其独特的性能使其在传感器信号放大、数据采集、精密电子仪器设备、医疗仪器等方面广泛被采用。
    仪表放大器构成的超声波接收电路如图3所示，其有两部分构成，第一级由A1、A2组成，均采用高阻抗同相输入形式且结构对称，使得电路的漂移和失调都有互相抵消的作用；第二级由A3组成差动放大电路，同样具有很高的共模抑制比、极高的输入阻抗，与前级匹配。电阻R1=R2、R3=R4、R5=R6，调节Rp的电阻值，即可调节放大倍数，在A1和A2可增设调零电位器VR1和VR2，电路差模电压增益为：Au=R5／R3，
(1+2R1／Rp)由上式仪表放大器的增益即可由电阻R1、R3、R5预置，也可根据需要通调节Rp设置仪表放大器的增益。

    核心器件可选用的集成运放相当多，在选用运放时，首先应选用低噪声、输入失调电流小、共模抑制比的运放；A1、A2运放的特性尽可能一致，电路采用了OP-07。电阻、电容的确定，在低噪声电路中，电阻选用低温度系数的电阻精密金属膜电阻，以获得尽可能低的漂移其噪声指数可达到0．2～1μV。放大器的放大倍数Au我们设定为10～10 000可调，根据Au=R5／R3(1+2R1／VR)，选取R1=R2=10 kΩ，R3=R4=2 kΩ，R5=R6=20 kΩ，Rp=10 kΩ足以满足Au。电路中的C主要滤除信号中的高频干扰成分，采用用云母电容或瓷片，均可降低电路噪声。
    电路特点：1)电路具有抗共模干扰，抑制温漂功能。2)具有低噪声、高输入阻抗、低线性误差、高共模抑制比、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点。3)具有增益100～1 000可调，带宽达到100 kHz，集成运放改用宽带集成运放可提高接收电路响应带宽。
3．3 CX20106A构成接收电路
   超声波接收集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控器。因红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。CX20106A构成的超声波接收电路如图4所示，该电路主要有集成电路
CX20106A和超声波探头构成，其利用CX20106A做接收电路载波频率为38 kHz；通过适当的改变C3的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

    工作原理：CX20106A集成芯片是集放大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形电路为一体的芯片。当超声波接收探头接收到超声波信号时，压迫压电晶体做振动，将机械能转化成电信号，由红外线检波接收集成芯片CX20106A接收到电信号后，对所接信号进行识别，若频率在38～40 kHz左右，则输出为低电平，否则输出为高电平。

    电路特点：1)CX20106A输出的是电平信号，只能对标准距离作定性的判断，不能作为定量距离测量。2)CX20106A芯片外电路结构简单，使用简洁方便，价格低廉。3)CX20106A芯片中的滤波器为带通，带宽较窄，限制了噪声，但同时也限制了自身接收信号频率范围。4)具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力，适当调节电容C3的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

    4 结论

    超声波测距系统中，接收电路是核心电路。超声波接收电路直接决定了测距系统所测的数据准确度，在设计电路时，需调整部分分立元件的参数，以保证电路准确性。文中采用了同相放大器、仪表放大器、CX20106A 3种方案作为超声波接收电路，分析了3种方案的性能和特点。实验证明同相放大器、仪表放大器、CX20106A构成的超声波接收电路均适合超声波测距系统。

三 : 超声波测距：超声波测距-引言，超声波测距-原理

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，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。

超声波测距_超声波测距 -引言

超声波测距

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，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。

[www.61k.com]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1个运动距离信息。

超声波测距_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声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为2大类：1类是用电气方式产生超声波，1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。

图1

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2个压电晶片和1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，即可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。

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：L=C×T

式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。

超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。

超声波测距误差分析

根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

时间误差

当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907μs。

在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。

超声波传播速度误差

超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系，如表1所示。

已知超声波速度与温度的关系如下：

式中： r —气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，

R —气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，

M—气体分子量，空气为28.8×10-3kg·mol-1，

T —绝对温度，273K+T℃。

近似公式为：C=C0+0.607×T℃

式中：C0为零度时的声波速度332m/s；

T为实际温度(℃)。

对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5cm。

超声波测距_超声波测距 -电路设计

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。

PUZEL： MOV 14H, #12H；超声波发射持续200ms

HERE： CPL P1.0 ；输出40kHz方波

NOP ；

NOP ；

NOP ；

djnz 14H，HERE；

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1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40kHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。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 PSW

PUSH ACC

CLR EX1 ；关外部中断1

JNB 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1

四 : 超声波测距原理

本文阐述了超声波测距原理，介绍了如何用单片机实现高精度超声波测距的具体电路，分析了其各单元工作原理，并给出了其程序流程图和源程序。
超声波测距原理
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。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。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。

在超声探测电路中，在发射端得到输出脉冲为一系列方波，这一系列方波的宽度为发射超声与接收超声的时间间隔，显然被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲的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(电压的幅值基本固定)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。因此，被测距离为S=1/2vt。
本测量电路采用第二种方案。
由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，附表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。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。

本方案以单片机 ATMEL89C2051为核心，通过对其进行软件编程，实现该单片机对其外围电路的适时控制，并提供给外围电路各种所需的信号，包括频率振荡信号、数据处理信号和译码显示信号等等，大大简化了外围电路的设计难度，同时更重要的是该种设计方案大大节省了设计成本，并且由于是采用软件编程技术，所以其移植性能好，在设计电路时可以将其他更多的功能设计进去，而我们在设计电路板时就可以根据自己的设计目的焊接元件。该方案的整个硬件电路可用图2所示的方框图表示，图3为基于单片机的超声波测距电路原理图。


超声波发射电路
1.　频率产生电路
本电路中共用到了两个重要的频率，为了实现输出频率的精确性，在设计时用到了单片机，因为这一部分（频率产生电路）是整个电路的核心，由单片机产生的频率必须准确，否则测得的距离显示会产生很大误差，笔者在考虑总体方案时，也想到用一块单片集成电路（比如说CMOS 集成芯片CD4046）来完成频率信号的产生以及分频工作，也完全可以实现电路的功能，但是要想实现高精度要求，难免有些困难，最后还是选择了用单片机来完成频率的产生工作。关于上述的这三个频率是如何由单片机产生的，请详见本文的“具体工作原理分析”部分。
2.　门控电路（RS 触发器）
为了在本超声波测距电路中实现对超声波发射和接收的自动控制，必须在电路中加入门控电路。下面结合图3讲述一下该门控电路的作用。由S=1/2vt，式中，v为声波在空气中的传播速度，它和空气的温度有关，温度每升高1摄氏度声速增加0.6m/s，　如果t已知，距离便可确定，如何测量时间t呢？把输出脉冲作为一闸门信号，让已知频率fc的脉冲恰好能通过闸门，那么：t=NTc，式中，Tc为已知脉冲的周期；N为脉冲周期的个数或脉冲的个数。闸门信号与已知脉冲信号的关系如图4所示。

在本电路设计中门控电路由RS触发器来完成，而RS触发器是用D触发器CD4013中的一个D触发器来完成。当R=1(S=0)时复位，即Q=0；S=1(R=0)时置位，即Q=1,在原理分析中，就利用它的这一特性。当上电复位时，D触发器CD4013的Q脚输出低电平加到单片机的P3.3口，不启动内部计数器，处于等待状态。
3.　发射驱动电路
关于超声波发射器的驱动电路部分，由于单片机的P1口最多只有20mA的拉电流，而从资料得知，超声波发射器需要的最小驱动电流比它要高，所以在与非门U1A　CD4011的后级加入了一级三极管放大电路，由于工作频率比较高，所以这里选择了常用的高频管9018，这样便很好地完成了超声波的发射。集成运算放大器μA741，一般来说如果将其用在闭环控制电路中应该是接成双电源形式，也就是7脚接正电源，4脚接负电源其内部为浮地，注意这时最好不要在闭环控制系统中接成单电源形式，因为这样的话，μA741的输出端便会有一个固定的直流偏置，而这样在有些电路中是不允许的，比如说本设计的电路就不能接成单电源形式的。如果运放是用在开环控制系统中的，那么完全可以接成单电源形式的，但是在有些特殊情况还是有它的特殊接法。
超声波接收电路
1.　超声波接收、放大电路
由资料知道，运放741的带宽以及抗干扰能力都比较强，但是为了防止产生一定的噪音，所以在设计超声波信号放大电路时，将放大电路设计成了两级同相交流放大器，通过参数设置，每一级放大接近20倍，这样经过两级放大后，接收到的超声波信号就被放大了几乎是400倍，完全能够被后续检测电路检测到。
　超声波接收电路由运算放大器μA741等组成，具体放大电路见图3。
接收传感器L2将反射的超声波转换为电信号后，由放大器放大后再送到由U1B、U1C等组成的斯密特整形电路整理成规范的方脉冲。电阻R11和电位器R12为同相端提供直流偏置电位。需要注意的是这两个直流偏置电阻的作用是相当重要的，它可以很好地稳定运放μA741的直流工作点，不致于使其同相输入端出现浮动状态，而造成输入信号不稳定。
2.　信号筛选电路
本信号筛选电路在整个电路中可以说起到非常重要的作用，通过对它的适当调整，可以有效地滤除由于外界干扰带来的非超声波信号进入超声波接收系统，从而大大提高了本电路的抗干扰性。
具体原理解释如下：本信号筛选电路由一片集成运放741来完成，首先通过一个固定电阻R6 和一个可变电阻 W 在分压后将其输入到741的负输入端，以给741一个参考电压，一般情况下我们是将这两个电阻调整到基本一样大即可。这样当有外部微弱信号进入单片机内部处理之前都必须先经过这个信号筛选电路，从而有效地滤除了干扰信号。
3.　信号整形电路
当接收到的信号从信号筛选电路中出来之后是一个很不规则的方波信号，我们希望最好得到一脉冲信号，为此，又在其后级电路中加入了一级由U1B、U1C和电阻R5组成的信号整形电路，经过此部分电路处理过后再送进单片机中进行处理运算，具体原理不再阐述。
4.　距离显示电路
由于本超声波测距系统精度要求是1cm，故本人在进行距离显示电路部分的设计时用到了三个数码管，其可以显示范围为0.01m至9.99m，　为了节省硬件开销，本距离显示电路没有使用译码器，而是直接有效地利用了单片机的有限端口来进行译码显示，但是最后由于仍然缺少一个端口，故用到了一个二-四译码器74LS139。
5.　具体工作原理分析
下面我们首先来看一下，在本设计中用到的两个比较关键的频率是如何计算出来的。第一个频率，超声波的发射中心频率信号本来就是40kHz，并由单片机的P3.0口输出。这是由单片机内部的定时器由软件编程所产生，具体程序读者可以参考本刊网站（
www.eleworld.com
）上的源程序，所以这个频率我们就不再进行计算了；第二个频率就是单片机进行数码显示的计数频率，在计算之前首先要明确我们要设计的超声波测距精度是多少，而在本设计中，设计精度为1cm，也就是0.01m，超声波发射器的声波传播到反射物，再由反射物反射到接收器，所传播的距离为2倍测量距离，而大家知道，声波在标准气压下15℃的传播速度为341m/s，因此，我们要设计成在一个时钟周期内超声波所传播的距离为0.02mm，这样便可以计算出定时器的溢出频率是341/0.02=17.05×103，也就是17.05kHz，这样在一个时钟周期内所测的距离便为0.01m。N个周期所测的距离为N × 0.01m，N 个周期有 N个方脉冲，也就是说，计数器测得的脉冲数 N即为被测距离，不过其单位为0.01m，因此应把计数显示器的小数点点在百位数和个位数之间，那么示值是以“米”为单位，其最大显示值为9.99m。
软件程序设计
在本程序的设计工程中主要是有效地利用了该单片机内部的两个定时/计数器T0和T1，单片机AT89C2051内部有两个16位的定时/计数器，分别是T0和T1，它们各自分别有四种工作方式，在本文的设计中采用的工作方式都是方式1，即 1 6位的非自动装载方式，因为这种方式计数范围大，不必频繁地产生计数中断，便可以完成文中所述功能，更重要的是这样还可以大大减少计时误差。
本系统采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成，图5为程序流程图。该系统的主程序处于键控循环工作方式，当按下测量键时，主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量结果用显示子程序在数码显示器上显示出来。

本文标题：超声波测距原理-超声波测距的原理
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