超声波传感器
超声波传感器范文第1篇
关键词： 超声波传感器 原理 应用
1.引言
随着自动化等新技术的发展，传感器的使用数量越来越大，一切现代化仪器、设备都离不开传感器。在工业生产中，尤其是自动化生产过程中，用各种传感器来监测和控制生产过程中的各个参数，如温度、压力、流量，等等，以便使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。
20世纪中叶，人们发现某些介质的晶体（如石英晶体、酒石酸钾钠晶体、PZT晶体等）在高电压窄脉冲作用下，能产生较大功率的超声波。它与可闻声波不同，可以被聚焦，能用于集成电路的焊接、显像管内部的清洗；在检测方面，利用超声波有类似于光波的折射、反射的特性，制作超声波纳探测器，可以用于探测海底沉船、敌方潜艇，等等。
现在超声波已经渗透到我们生活中的许多领域，例如B超、遥控、防盗、无损探伤，等等。
2.超声波的概念
人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20Hz―20kHz范围内，称为可闻声波。低于20Hz的机械振动人耳不可闻，称为次声波；高于20kHz的机械振动称为超声波，常用的超声波频率为几十kHz至几十MHz。
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）和纵向振荡（纵波）。工业中的应用常采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，但传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波频率较低，一般为几十kHz，但衰减较快；在固体、液体中传播频率较高，但衰减较小，传播较远。
3.超声波的特点
超声波的指向性好，不易发散，能量集中，因此穿透本领大，在穿透几米厚的钢板后，能量损失不大。超声波在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。超声波的频率越高，其声场指向性就越好，与光波的反射、折射特性就越接近。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，配上不同的电路，制成各种超声波测量仪器及装置，并在通信、医疗、家电等各方面得到广泛应用。
4.超声波传感器的原理
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，由发送传感器、接收传感器、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器的作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测。实际使用中，用作发送传感器的陶瓷振子也可用作接收器传感器上的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比、稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。超声波传感器电源可用DC12V±10%或24V±10%。
5.超声波探头
超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。由于其结构不同，换能器又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头，等等。本文以固体传导介质为例，简要介绍以下三种探头。
（1）单晶直探头。俗称直探头，其压电晶片采用PZT压电陶瓷制作。发射超声波时，将500V以上的高压电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出一束频率落在超声波范围内、持续时间很短的超声振动波，垂直投射到试件内。假设该试件为钢板，而其底面与空气交界，到达钢板底部的超声波绝大部分能量被底部界面所反射。反射波经过一短暂的传播时间回到压电晶片。再利用压电效应，晶片将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。
（2）双晶直探头。由两个单晶探头组合而成，装配在同一个壳体内，其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超声波。双晶探头的结构虽然复杂一些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。
（3）斜探头。有时为使超声波能倾斜入射到被测介质中，可选用斜探头。压电晶片粘贴在与底面成一定角度的有机玻璃斜楔块上。当斜楔块与不同材料被测介质接触时，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折射角可通过计算求得。
6.超声波传感器的应用
超声波传感器应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害，方法简便，显像清晰，诊断的准确率高，等等，因而受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断是利用超声波的反射原理，当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声振幅的高低。
在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤、超声波测厚和测量液位等。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感器的出现改变了这种状况。超声波探测既可检测材料表面的缺陷，又可检测材料内部几米深的缺陷。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。
超声波测量液位的基本原理是：由超声探头发出的超声脉冲信号在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有许多其他方法不可比拟的优点：（1）无任何机械传动部件，也不接触被测液体，属于非接触式测量，不怕电磁干扰、酸碱等强腐蚀性液体等，因此性能稳定、可靠性高、寿命长；（2）响应时间短，可以方便地实现无滞后的实时测量。
7.结语
超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如反射问题、噪音问题、交叉问题，等等。本文简要介绍了超声波的概念、特点，分析了超声波传感器的原理，并给出了超声波传感器的几种典型应用，对今后对超声波传感器的进一步学习和研究有一定的参考价值和实用价值。
参考文献：
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超声波传感器范文第2篇
关键词：超声波传感器；移动机器人；最近点；探测系统
中图分类号：TPl8
文献标识码：B
文章编号：1004―373X(2008)04―156―03
移动机器人要获得自主行为，其最重要的任务之一是获取关于环境的知识。这是用不同的传感器测量并从那些测量中提取有意义的信息而实现的。视觉、红外、激光、超声波等传感器都在移动机器人中得到实际应用。超声波传感器以其性价比高、硬件实现简单等优点，在移动机器人感知系统中得到了广泛的应用。但是超，声波传感器也存在一定的局限性，主要是因为波束角大、方向性差、测距的不稳定性(在非垂直的反射下)等，因此往往采用多个超声波传感器或采用其他传感器来补偿。为了弥补超声波传感器本身的不足，又能提高其获取环境信息的能力，本文设计由一体式超声波传感器与步进电机组成的探测系统。
1 超声波传感器的探测原理及方法分析
超声波传感器的基本原理是发送(超声)压力波包，并测量该波包发射和回到接收器所占用的时间。
L＝c×t/2
(1)
其中，L为目标距超声波传感器的距离；c为超声波波速(为了简化说明，本文以下讨论的测量距离时不考虑波速受温度的影响)；t为发射到接收的时间间隔。
由于用超声波测量距离并不是一个点测量。超声波传感器具有一定的扩散特性，发射的超声能量主要集中在主波瓣上，沿着主波轴两侧呈波浪型衰减，左右约30°的扩散角。事实上，式(1)计算度越时间的方式是基于超声波成功、垂直的反射名义下进行的。但对于移动机器人很难保证其自身运动姿态的稳定性，采用超声波传感器固定在移动机器人车身的探测方式，当移动机器人偏离平行墙面时，探测系统往往很难得到实际的距离。另外，超声波这种发散特性在应用于测量障碍物的时候，只能提供目标障碍物的距离信息，而不能提供目标的方向和边界信息。这些缺陷都大大限制了超声波传感器的实际应用和推广。
本文在通过理论的分析和不断地试验的基础上，采用四相步进电机带动单个一体式超声波传感器旋转的方式，组成一个动态的感测系统。
2 一体式超声波传感器与步进电机组成的探测系统
2.1 结构设计
实物照片如图1所示，超声波传感器焊在PCB板上，板子通过钢管树起，钢管另一端和步进电机轴相连，步进电机固定在机器人底盘下方。传感器控制信号与输出信号通过信号线和车身上的控制板相连。另外在超声波传感器的探头前加一泡沫材料制成的圆台形套筒，上口直径为22 mm，下口直径为16 mm，高20 mm。这样发射波的波束角以及反射波被接收的角度都大大受限制。为了机器人自我调整姿态，需要确定其自身的转动方向和基准位置。因而自制一片由直射式红外光电传感器和转盘组成的简易光电编码器。2个直射式红外光电传感器分布如图2中2个Ⅰ，Ⅱ所示以180°间隔水平安置在机器人小车车身两侧边的中点连接线上。转盘与转臂连接在同心圆上，如图中外圆所示，1，3刻线间相隔27°；2，1刻线相隔180°，其中1刻线与超声波传感器的中心保持在同一水平线上。Ⅰ单独导通作为基准坐标，Ⅰ，Ⅱ同时导通用来判断旋转方向，Ⅱ单通作为机器人沿墙回归时的导航基准。
通过步进电机带动一体式超声波传感器转动，以传感器中轴垂直于机器人车体的方向作为其自身姿态调整的坐标基准，步进电机采用4相4拍步距角为1.8°，每转1步，超声波传感器检测1次，将测量值通过串口送上位机。
2.2探测系统硬件设计
探测系统硬件主要由超声波发生电路、超声波接收电路，步进电机调速模块等组成。如图3所示，系统的核心为单片机89S51，主要完成信号的发射和接收、控制步进电机、并传送数据给机器人上位机进行处理。
超声波的发射电路采用单片机ATM89$51的P11口输出发射脉冲，由74HC04作为驱动来连接超声波传感器，74HC04是为了增强其输出电流的能力，提高超声波传感器的发射距离。
超声波接收处理电路采用集成电路CX20106。CX20106为红外接收专用集成电路，在此利用CX20106作为超声波传感器接收信号的放大检波装置，亦取得良好的效果。CX20106中前置放大器接收到超声波接收探头的反射信号后，对信号进行放大，电压增益约80 dB。然后将信号送到限幅放大器，使其变为矩形脉冲，再由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，由检波器滤掉载频检出指令信号，再经过整形后，由7脚输出低电平。7脚输出的脉冲下降沿通过单片机INT0口输入。如图4所示。
一体式超声波传感器发射电路与接收电路都用相同的传感器引脚输入／输出，如不将输入／输出隔离开，接收电路与发射电路会相互影响，采用CMOS双向模拟开关CD4066BE实现发射与接收的隔离。步进电机控制模块，采用环形脉冲分配器1297+双H桥功率集成电路L298的控制方式。单片机的P1.6，P1.7，P2.3分别接L297的CW，clock，enable控制端，控制电机的正反转、时钟信号、启停。
2.3探测系统软件设计
探测系统的软件主要由主程序模块、中断服务程序模块、传感器发射接收模块组成。这里主要对探测系统主程序模块加以说明。主程序流程图如图5所示。
超声波传感器和步进电机测控模块分属不同的单片机控制，因此感测系统与移动机器人的上位机必须依靠单片机间的I／O口线及串行异步通讯实现。标志位T是用来切换动作，T=O，OFF=0同时满足时，是超声波传感器寻常的探测过程；T=1，OFF=0时是每一个循环测量前调整方位角用；OFF=1是等待下一次动作。计算回波的时间采用定时器TO，因此距离值d=0.334×(THO×256+TLO)／2。每测完1次，给步进电机1个触发脉冲。然后判断下一个动作，是做传感器探测还是机器人自身方位角调整，这样又进入一个新的循环。
3 探测系统在移动机器人上的实验与应用
3.1 寻找离墙最近点
本文在寻找离墙最近点的设计思想是基于超声波测距。选择时间度越式的测距方法，通过对接收回波阈值的设定和探头前加一具有吸音作用的套筒，来限制超声波传感器接收范围。实验所测在距离75 cm时其发射波束角在土20。左右，能接收反射波的有效角度大约在±40°范围内。
超声波传感器的近似圆锥形的波束，决定了其每一次所测距离是最近点的反射距离。如图3所示，当波束角度 即使偏离到虚线所示，其实际所得距离仍旧是沿波束中心线所测的值。按理论上说在发射波束角度内所测的距离应该是相同的，但由于超声波传感器起震时间、以及接收阈值的设置，包括墙面的反射情况等都会对距离的测量造成一定的影响。由实验测得，当在一定的角度(约±20°)内，其测量的距离值变化不明显，其相邻值比较接近(不超过2 mm)。当偏角继续增大时，相邻测量值变化也明显增大。因而一种方法就是利用这2个临界点，来找寻其波束与墙垂直的角度(即与墙距离最近点)，步进电机带动超声波旋转找寻这2个临界点。当连续检测到两相邻的值低于2 mm时，认为已进入稳定区，则前后出现变化的点设为临界点，在这临界点内的所有点都记下来，然后求取中点，中点位置即是墙面与超声波传感器的最近点。如图6所示为其中一组所测数据，在72°～108°内，是距离测量的稳定区域，而在这之外，所测距离的相邻偏差超过8 mm，而且随着角度的旋向两边时将进一步拉大。在50cm与200cm内改变一体式超声波传感器与墙面距离进行实验，其结果与墙面垂直角度所测误差限制在2个步距角内。
3.2探测系统应用于机器人沿墙导航
自主式移动机器人是在运动过程中探测当前环境的信息。每次探测的距离信息都以当前机器人的运动姿态为前提来测量。而在沿墙直线行走过程中，机器人是通过测距和自身姿态的共同感知保证运行轨迹的准确性。超声波测距已被广泛运用，在试验超声波探测角度与测距的关系后，则可以根据计算最近点的方法用超声波传感器来测量车身的方位角(确定自身姿态)。所测最近点是机器人实际与墙面的距离，通过简易编码器上的直射红外传感器l来确定机器人的基准坐标，根据步进电机每一步走过时存储的信息来计算最近点。在基准坐标和最近点间，用步进电机所走过的角度确定机器人与墙面的偏角，然后偏角传达给车轮驱动控制系统以调整方位角。
3.3搜寻障碍物
采用步进电机带动超声波传感器旋转的方式在功能上近似于多传感器检测。移动机器人通常采用周身围绕固定多个超声波传感器来获取更多的信息，从而增加搜索障碍物的范围，确定目标方向和边界信息。与之相比，采用旋转的方式的一个优点，就是可以根据障碍物的紧密程度自动调整检测的密度。采用增加传感器的数量是受自身条件限制的，而旋转方式的紧密只和步进电机的步距角相关。检测密度的增加可以大大提高对角度的分辨力，从而加强对目标方向和边界信息的确定。
超声波传感器范文第3篇
关键字：超声波发生器；超声波换能器；测距
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)04-11083-03
1 引言
近年来随着微电子技术发展而产生的小型价廉的微处理器（单片机）的出现，使超声波测距传感器的功能得到了提升。有了微处理器不仅使测距的精度大为提高，而且为超声波测距技术的应用开辟更大的空间。
利用超声波制作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、倒车等情况下撞伤、划伤。
2 超声波测距的工作原理与方式
2.1 超声波测距的工作原理
人能听到的声音频率为：20Hz~20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波。超声波是一种只有少数生物（如蝙蝠、海豚）才能感觉的机械波，其频率在 20kHz以上，波长短，绕射小、能定向传播。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。为此，利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。
超声波测距的原理就是利用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 。
2.2 超声波测距的工作方式
利用超声波测距的工作，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其主要有三种测距方法：
（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，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。其原理为：检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。
本设计的超声波测距就是使用了渡越时间检测法。在移动车辆中应用的超声波传感器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波），通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度，计算传播距离，从而得到障碍物到车辆的距离。
3 系统硬件设计
3.1 系统硬件总体框图
构成超声测距系统的电路功能模块包括发射电路、接收电路、键盘显示电路、核心功能模块单片机控制器及一些辅助电路。采取收发分离方式有两个好处：一是收发信号不会混叠，接收探头所接收到的纯为反射信号；二是将接收探头放置在合适位置，可以避免超声波在物体表面反射时造成的各种损失和干扰，提高系统的可靠性。
根据设计要求并综合各方面因素，选择了西安立宇电子科技有限公司的超声波测距传感器 TCT40－16T/R（T 表示发射传感器，R表示接收传感器），最大探测距离为 6m，发射扩散角为 60度。同时，采用AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如下图1所示。
图1 系统总体框图
3.2 超声波发射部分
超声波发射电路原理图如图2所示：由NE555 时基电路及元件构成40kHZ 多谐振荡器电路，调节电阻器RP 阻值，可以改变振荡频率，最终达到40KHZ。同时用单片机控制NE555 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40~50mA。
用555定时器接成的多谐振荡器来驱动超声波发射传感器。555定时器外接电阻和电容构成的多谐振荡电路。振荡频率 f主要取决于电阻 R1（包括电位器的阻值）、R2和电容 C1，当 R1、R2 和 C1固定时，改变电位器的阻值就可改变振荡频率，振荡幅度由电源电压来决定。
图2 超声波发射电路原理图
但是输出的矩形波是不对称的，占空比为：
这里采用独立的 9V电源对三极管驱动电路供电，以增强超声波发射的能量和测量精度。
3.3 超声波接收部分
接收电路电路的功能是将连续变化的信号放大，滤掉高频干扰和噪声，把连续变化的信号转变为离散信号，量化后进入信号采集系统。
超声波接收电路原理图如下图3所示，当R40-16感应到超声波时，信号经过VT2，VT1两级放大后再经整形滤波，最后有VT3放大输出，若有收到40KHZ超声波回波，输出低电平到单片机，若无接收40KHZ超声波的回波，输出高电平到单片机。
图3 超声波接收电路原理图
3.4 单片机控制部分
40KHZ的发射频率由单片机的P3.2提供给软件进行处理，回波经过AT89C51对接收到的信息进行处理后，被测的距离在LED上显示，显示的数据由P0口和P2口分别控制数码管的段和位实现LED的显示，显示部分采用动态扫描显示。两位LED可表示4.9～0.1 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：1m或0.5m)，报警电路发出适当的警告提示音，由P2.4口的蜂鸣器输出控制报警电路的工作。
4 系统软件设计
汽车倒车防撞系统根据超声测距原理用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。
根据系统的要求，系统软件应具有以下功能：
（1）控制超声波发射、接收传感器的工作状态。传感器的工作状态因行驶方向的不同而不同，而且，探测距离时发射传感器还要依次轮流工作，这些功能需靠软件程序来实现。
（2）根据汽车的行驶速度计算出倒车避撞的安全距离和报警距离。安全距离就是汽车自由停下所需的距离，这时需要的距离必然小于根据车速确定的安全距离。比安全距离稍远些的是报警距离，设计的报警距离比安全距离长出 1 米。通过报警来减少不必要的停车。
（3）测出超声波信号的往返时间，来计算出最近的障碍物与平台车的距离。超声波从发射出去碰到障碍物返回接收传感器的时间，需要通过软件定时器来记录。根据这个时间才能计算出障碍物的距离。
系统主程序流程图如右图4所示：
图4 系统主程序流程图
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。
主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0．1 ms(这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。
由于采用的是12 MHz的晶振，计数器每计一个数就是1 s，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器TO中的数（即超声波来回所用的时间）按式（3）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取20℃时的声速为其中，To为计数器T0的计算值。测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0．5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。
5 系统的调试与优化
超声波测距仪的制作和调试都比较简单，安装时探头时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。
系统调试完后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。
5.1 发射器探头对接收器探头的影响
超声波从发射到接收的时间间隔是由控制器内部的定时器来完成的。由于发射器探头与接收器探头的距离不大，有部分波未经被测物就直接绕射到接收器上，造成发送部分与接受部分的直接串扰问题。这一干扰问题可通过软件编程，使控制器不读取接收器在从发射开始到"虚假反射波"结束的时间段里的信号。这样，就有效的避免了干扰，但另一方面也形成了20cm的“盲区”。此“盲区”很小，对本系统没有影响。
5.2 温度的补偿
由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表1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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。
表1 声速与温度关系表
所以，在超声波的两个探头旁边需要放置温度传感器，测出环境温度T，由单片机控制器进行软件修正。
6 结束语
虽然用一个单独计时器电路也可以测量超声波的传输时间，但利用AT89C51单片机可以简化设计，便于操作和直观读数。该系统经实际测试证明，可以满足大多数场合的测距要求。
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超声波传感器范文第4篇
关键词：测距；超声波传感器；STM32； 1602显示屏
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）35-0238-02
当今社会测距是很普遍也很重要的问题，许多场合下需要准确、迅速、实时的测距。例如盲人在行走的过程中，需要一个装置来检测前方有无障碍物，在距离障碍物距离过近的时候必须可以报警；又如汽车倒车的时候也需要检测车尾与车库的距离，在危险距离的时候可以报警，使车主可以及时刹车，避免发生事故；再如一些的门口也需要测距的装置，当有人靠近的时候，会发出警报，使该区域的安全性得到保障。目前，测距的方法很多，如红外检测具有造价低、安全性能好、制作简单等优点；缺点是检测精度低、实用性低。由于超声测距是一种非接触式检测，其抗干扰能力较强，如光源、气候对超声的干扰都比较小，相比于其他的技术更精确，更安全。同时，超声测距具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。基于这一现状，本设计选用超声波来检测距离。
1 系统的整体设计
针对上述问题，本出如下的设计：先由超声波传感器向正前方发射超声波，与此同时开始计时，超声波沿着前进的方向传播，由于超声波能感应到障碍物，因此传播过程中碰到障碍物就会立即朝反方向回传，这样超声波接收器就可以接收到因障碍物而回传的超声波，同时，计时停止。超声波在空气中的传播速度v，设传播时间为t，那么单程传播的为t/2，由距离（s）=速度（v）时间（t）/2，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s）。同时一方面将距离（s）由显示屏显示出来，让使用者能对前方有无障碍物一目了然，并且还能掌握障碍物与其的具体距离；另一方面，设置一个距离最小值，也成阈值，当障碍物的距离小于这个阈值的时候，单片机会给报警器发出报警信号，使报警器报警，让使用者能够迅速准确的做出应对措施。超声波测距原理如图1所示。
2 系统的硬件设计
2.1 硬件器件的x型
本设计的传感器选取的是非接触式的HC-SR04超声波测距模块，HC-SR04超声波测距模块使用成本低、抗干扰能力强并且准确性能好。单片机选取ARM系列最新、最先进构架的Cortex-M3内核的STM32，STM32不仅性能优越，而且价格便宜，所以本设计选取它作为主处理器。由于本设计的显示屏只需要显示距离信号，所以选取易于控制、成本低的1602显示屏。
2.2 硬件设计
硬件的组成可以分为两个部分：第一部分由超声波传感器以及STM32处理器组成，为检测部分，具体作用为：首先由STM32控制超声波发射器发射超声波，与此同时STM32控制定时器开始计时，由于超声波是沿着直线传播，当在前方遇见障碍物时，超声波会立即反射回来，当超声波传感器接收到超声波的时候STM32控制计时结束；第二部分由1602显示屏、报警电路组成，STM32检测计算出来的距离会由1602显示屏显示出来，当距离小于预先给STM32设定的阈值时，STM32会立即给报警电路发出报警信号，使蜂鸣器报警。报警部分由蜂鸣器和报警电路组成，报警电路如图3所示。
3 系统的软件设计
软件的设计主要是对STM32的编程，首先初始化串口和定时器，并且预先设置好阈值。接着给连接超声波传感器的IO口发出指令，开始发射超声波，并且由STM32控制定时器开始计数；接着实时监测超声波接收器有无信号的读取，若有，则说明前方有障碍物，定时器停止计数。取定时器的计数差值，由定时器计数的差值可以计算出共同的时间，而单向路程所需的时间为共同时间的一半，就可以计算出障碍物与超声波传感器的距离。同时还要将这个距离与预先设置好的阈值进行比较，若距离值小于阈值，则STM32会给报警电路发出报警信号，达到报警效果。
4 实验结果分析
随机选取不同的距离、不同材质的障碍物进行检测十次，每当达到检测范围的时候，显示屏每次都能准确的显示出障碍物的距离，并且当过度靠近障碍物的时候，蜂鸣器每次都会发出报警。结果表明本文设计的超声波测距系统能够准确的实现测距和报警的目的，满足当前市场的要求，同时制作简易，具有很好的发展和使用前景。
参考文献：
[1] 胡萍.超声波测距仪的研制[J].计算机与现代化，2003（10）：54-57.
超声波传感器范文第5篇
【关键词】超声波 液位仪 MCU 微控制器 PCB
在通常的工业生产工程中，液位测量的目是通过液面高度的测量来确定容器里的原材料、半成品或者产品的，用以保证生产过长的各个环节物料平衡以及给进行经济核算提供可靠的依据。同时，在连续的生产过程中，为了维持正常生产、保证产品的质量和产量，以及保证安全生产。所以，液位的监测在工业生产过程中是相当重要的。测量液位的仪表主要分为接触式液位仪表与非接触式液位仪表两部分。而超声波液位仪表，由于其结构简单、造价地低廉，在近些年里得到了广泛的应用。
1 设计简述
所谓的超声波是指人类听不到的声波，一般人的听觉范围是20Hz～20kHz，超出这个范围的声波正常人是听不到的。通过声波在碰到液面后反弹回来的时间来计算当时液面具超声波传感器的距离，则液位公式为：
L为液面距超声波传感器的距离，c为超声波在空气中传播的速度，T为从声波发出到接收到回波的时间。
1.1 超声波液位仪系统结构
如图1-1所示，该超声波液位仪包括输入部分、输出部分以及控制部。
1.2 超声波液位仪系统工作原理
将该超声波传感器安装于待测容器的顶部，垂直于被测液面，当发出的超声波碰到被刺液体后回弹。这时一体化超声波传感器处于接受状态，等待接受反弹回来的超声波，通过超声波的发送到接收的时间来计算液面距容器顶端的距离。
1.2.1 液位测量与计算
系统工作时，单片机的定时器开始计时，同时通过单片机的I/O口发送一串频率为40kHz的信号，信号经过升压中周发放大后通过一体化超声波传感器发送出去。当单片机检测的回波信号时，停止定时器，并将定时器中的数值读出，根据系统的机器周期计算出超声波传播的时间T。
1.2.2 余波的处理
超声波探头将超声波脉冲发送完毕后，并不是立即停止的，而是逐渐衰减，这一段衰减过程中所发送的波被称作余波。
使用软件手段屏蔽掉了余波的干扰。通常收发一体化超声波传感器的余波衰减时间为2ms，因此，在程序中发送完40kHz波后，我们利用循环延时2ms，之后再开始让微处理器等待接收回波信号。而在延时的2ms内返回的超声波将被忽略，这样一来，我们将无法检测较近的距离，而这段无法被检测的距离就是本液位仪的工作盲区。
2 硬件电路设计
2.1 控制部分
控制部分利用STC89C52RC单片机作为主控制芯片，负责超声波输出控制、超声波回波信号接收处理、计算液面距超声波探头的距离、设置阀值输出报警以及控制显示部分输出相关信息。
2.2 I/O口分配
P3.0和P3.1可用于串口通信、程序烧写；而P1口则可以扩展外接其他拓展模块。
P3.6和P3.7口分别接CSBIN（超声波信号输入），用来接收回波通过处理后的有效电平信号；CSBOUT（超声波信号输出），用来输出脉冲信号，是超声波传感器发出40kHz波。
P0口连接LCD1602（液晶显示器）的数据口，P2.0～P2.2接LCD1602的三个控制口，P2.3接LCD1602的背光控制。
P2.4～P2.6口分别接三个按键输入；P2.7口作为控制继电器的信号输出口，用于控制继电器的开、闭。
2.3 按键与继电器控制电路
按键、继电器控制电路，独立按键的按下将低电平引入单片机I/O口。而当KA为“0”时，PNP管导通，继电器线圈得电，触点动作。
这里选用PNP型三极管是因为单片机复位后，I/O口为高电平，如果使用NPN型三极管则会照成系统上电后继电器会闭合一下，这样对设备有害同时可能照成安全事故。
在继电器线圈的两端并入二极管DK1（1N4007）起到了对继电器的保护作用。
2.4 超声波信号发送及接收部分
发送部分电路主要用到了超声波专用中周变压器将单片机I/O口发出的激励脉冲升压后供给超声波探头，使其发送出与激励脉冲相同频率的超声波。接受部分的电路中用了NE5532高性能低噪声双运算放大器。由于NE5532的工作电压至少为6V时，才能稳定的工作，由于超声波是一个交流信号，D5的作用就是将负半周期的信号通过GND消除，只保留正信号。信号通过BG2放大后进入NE5532，又经过滤波放大、比例微分后输出。
3 软件设计
首先由单片机发出 50KHz 的脉冲串，每八个脉冲为一组，脉冲串通过超声波发射电路驱动超声波换能器发出超声波，单片机在发送脉冲的同时开始计时；超声波遇到障碍物后的回波经过放大、转化等处理传回单片机，这样就得到了超声波在空气中的传输时间，然后在中断程序中根据测出的时间计算出距离。完成后发出下一组脉冲。利用定时器计算出采样时间，通过前后两次液位差值与前后两次检测的时间，可以算出液位增长的速度。
从实际产品的角度来看，本文设计的超声波测距仪还有需要进一步完善和改进的地方，主要表现在以下几个方面：
（1）由于温度对超声波的传播有一定的影响，所以如果加入温度传感器，测得储蓄罐内的温度，在通过所得的温度对超声波进行温度补偿，这样能提高仪表的精确度。
（2）为了使超声波液位计能够检测到从较远处反射回来的超声波，需要进一步完善修改硬件电路，提高硬件电路的抗干扰能力和对微弱信号的放大倍数，提高超声波液位计的测量范围和测量的精度。
（3）如果将本设计中的仪表用于工业控制上，可能出现问题，比如，现在的工业控制基本上是现场和人员分离的，为了方便使用，在本设计余留的I/O接口上可以接上无线模块，和模块间的通信尽量使用SPI，因为这样不占用串口资源，而串口这可以用来和上位机通信。
