1，超聲波傳感器及其測距原理
超聲波是指頻率高於20KHz [1]的機械波。為了使用超聲波作為檢測手段，需要產生超聲波和接收超聲波。實現這壹功能的裝置是超聲波傳感器，通常稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發射器和接收器，但是超聲波傳感器也可以具有發送和接收聲波的雙重功能。超聲波傳感器利用壓電效應的原理[1]將電能和超聲波相互轉換。
轉換，即發射超聲波時，轉換電能，發射超聲波；當接收到回聲時，超聲波振動被轉換成電信號。
超聲波測距的原理壹般采用TOF(飛行時間)[2]。首先測量超聲波從發射到遇到障礙物返回的時間，然後乘以超聲波的速度，得到聲源到障礙物距離的兩倍，即
1，硬件電路設計
我們設計的超聲波測距系統由寶麗來600系列傳感器、寶麗來6500系列超聲波測距模塊和AT89C51單片機組成。
2.1寶麗來600系列傳感器
這種超聲波傳感器是壹種集發送和接收於壹體的傳感器。傳感器中有壹個圓形薄片，由塑料制成，正面鍍有金屬膜，背面為鋁制背板。薄板和背板構成電容器。當向薄板施加頻率為49.4kHz、電壓為300VAC pk-pk的方波電壓時，薄板以相同的頻率振動，從而產生頻率為49.4kHz的超聲波，在接收回波時，寶麗來6500具有調諧電路，因此只能接收頻率接近49.4kHz的信號，其他頻率的信號則被過濾掉。
寶麗來600超聲波傳感器發出的超聲波，波束角為30度[3]，如圖1:
圖1°光束角
超聲波傳感器既可以用作發射器，也可以用作接收器。傳感器發射壹串超聲波束，持續壹段時間，發射結束後才能開始接收。如果發送光束的時間是d，則在d時間內從物體反射的信號不能被捕獲。另外超聲波傳感器有壹定的慣性，傳輸後還是有壹定的殘留振動。這種殘余振動還會通過傳感器產生壹個電壓信號，幹擾系統捕獲返回信號的工作。因此，在余震消失之前，不能啟動系統接收回波。以上兩個原因造成了超聲波傳感器有壹定的測量範圍。這個超聲波最近可以測到37cm。
2.2寶麗來6500系列超聲波距離模塊
寶麗來6500系列超聲波測距模塊的硬件電路如圖2所示:
圖2寶麗來6500系列超聲波測距模塊硬件電路
TL851是壹款經濟型數字12步測距控制集成電路。裏面有壹個420KHz的陶瓷晶體振蕩器。當6500系列超聲波距離模塊開始工作時，在傳輸的第壹個16周期，陶
陶瓷晶體振蕩器經過8.5分頻形成49.4KHz的超聲波信號，然後通過晶體管Q1和變壓器T1傳輸到超聲波傳感器。發送後，由單片機對陶瓷晶體振蕩器進行4.5分頻計時。TL852是專為接收超聲波而設計的芯片。由於返回的超聲波信號較弱，需要放大後才能被單片機接收。TL852主要提供放大電路。當TL852接收到四個脈沖信號時，通過REC向TL851發送高電平，表示已經接收到超聲波。
2.3 AT89C51單片機
該系統采用AT89C51控制寶麗來600系列傳感器和寶麗來6500系列超聲波測距模塊。單片機通過P1.0引腳控制超聲波通過變頻器的發射，然後單片機不斷檢測INT0引腳。當INT0引腳的電平從高電平變為低電平時，認為超聲波已經返回。計數器計數的數據就是超聲波的時間，通過換算可以得到傳感器與障礙物的距離。超聲波測距的硬件原理圖如圖3所示:
圖3超聲波測距硬件原理圖
3.系統軟件設計
系統程序流程圖如圖4所示:
圖4超聲波測距程序流程圖
工作時，微處理器AT89C51先置位P1.0，啟動超聲波傳感器發射超聲波，啟動內部定時器T0開始計時。因為我們用的超聲波傳感器是收發壹體的，所以發送16脈沖後超聲波傳感器裏還有余震。為了從回波信號中識別並消除超聲波傳感器發出的信號，需要在開始發射信號後2.38ms檢測回波信號，這樣才能抑制輸出幹擾。當超聲波信號碰到障礙物時，信號立即返回，微處理器繼續掃描INT0引腳。如果INT0接收到的信號由高電平變為低電平，則表明信號已經返回，微處理器進入中斷關斷定時器。然後可以將定時器中的數據進行轉換，得到超聲波傳感器與障礙物之間的距離。
4.實驗數據處理
由於環境溫度和濕度的影響，超聲波傳感器的測量值與實際值之間總是存在壹定的偏差。表1列出了該超聲波測距系統的測量值和相應的實際值:
表1超聲波測距系統測量值和實際值單位:厘米
從表中數據可以看出，測量值總是比實際值大7cm左右。經過分析，主要有三個原因:壹方面，超聲波傳感器測得的數據受環境溫度的影響；另壹方面，指令運行需要壹定的時間，使得測量數據過大；再次，為了防止其他信號的幹擾，當單片機開始計數時，驅動電路發出16個脈沖串。對於單回波模式，當
驅動電路在接收到障礙物返回的第四個脈沖時停止計數，因此最終測得的時間比實際距離對應的時間多了四個脈沖。為了減少測量值與實際值的偏差，我們用最小二乘法[4~5]對表1中的數據進行了修正。擬合後，我們得到以下等式:
Y=1.0145x-9.3354(其中:Y為實際值，X為實測值)。
改進後的超聲波測距系統的測量值與實際值的對應關系如表2所示:
表2改進型超聲波測距系統的測量值和實際值:cm
從修正後的數據可以看出，系統的測量誤差在2%以內，滿足了我們的測量要求。
5.結論
使用超聲波傳感器測量距離，主要是保證電路設計的可靠性和穩定性。通過實驗和分析，我們認為用6500系列距離模塊和600系列超聲波傳感器進行距離測量簡單、經濟、可靠，測量數據誤差相對較小。