超聲波測距模塊的設計與實現

摘要：本文設計并實現了一個以MCS-51單片機為核心的超聲波測距模塊。該模塊由超聲波發射單元、超聲波接收單元、溫度測量單元、顯示單元和ISP下載單元等組成，由單片機產生超聲波的發射信號并對其傳播時間進行測量，依據超聲波在空氣中的傳播特性，換算出距離數據，從而實現測量距離的目的。設計中采用LM386作為超聲波的發射驅動，采用集成芯片CX20106作為超聲波接收單元，結構簡潔，集成度高。通過實驗表明，該模塊性能可靠，能較準確地測出與障礙物之間的距離，達到了設計要求。
關鍵詞：超聲波測距；MCS-51單片機；LM386；CX20106

0 引言
在多數項目研發中，距離測量顯得越來越重要，常用的測距方式主要有雷達測距、紅外測距、激光測距和超聲測距等4種。雷達測距對天氣的依賴性較強，且成本較高；紅外測距測量范圍窄；激光測距精度高、抗干擾力強、但成本高，且光學系統需細心維護；超聲波測距指向性強、傳輸距離遠、受環境影響小、傳播時間容易檢測，而且超聲波傳感器結構簡單、性能可靠、成本低、易于集成，因此本文采用超聲波方式進行距離測量。

1 超聲波測距原理
超聲波發生器內部有兩個壓電晶片和一個共振板，當兩極外加脈沖信號的頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將發生共振，并帶動共振板振動，從而產生超聲波；同理，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片產生振動，將機械能轉換為電信號。
測距原理如圖1所示。

被測距離。式中：s為超聲波傳播距離；h為發射探頭與接收探頭之間的距離。
由于s遠大于h，因此可近似認為d=s，則d=s=ct／2，t為發射超聲波與接收超聲波的時間間隔，c為超聲波在空氣中的傳播速度。
在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是334m／s，但其傳播速度c易受空氣中溫度的影響，聲速與溫度關系如表1所示，由此可修正超聲波傳播速度

可見，只要測得超聲波發射和接收回波的時間差t以及環境溫度T，就能得到較為精確的距離。