超声波有以下特色：速度小，传达时刻简略检测;频率高，反射性强，绕射性弱;传达距离较远;对光线和电磁场不灵敏等。运用超声波的这些长处，结合微电子技能，超声波测距技能应运而生。与激光测距、红外线测距等比较，超声波测距更适于电磁搅扰强，烟雾等恶劣环境中。并且，超声波测距技能规划便利、精度较高。超声波测距技能的优势，使它有着广泛的运用，比方：修建施工工地，液位丈量，车辆导航等。传统的超声波测距体系选用的电路结构比较复杂，且当回波信号过于弱小时，丈量差错会加大。在体系接纳电路中选用的增益操控部分能有用地处理这一难题。
超声波测距的办法许多，有相位检测法，幅值检测法和渡越时刻法等。体系选用的是渡越时刻法TOF(Time of Flight)。原理如下：发射换能器在一端向某一方向发射超声波，一起计时器开端计时。超声波在传达过程中遇到障碍物被反射回来，接纳换能器接纳到反射回来的超声波，此刻完毕计时。假定计时时刻为t，超声波的传达速度为n，则从换能器到障碍物之间的距离d为超声波往复距离的一半。其间超声波传达速度n与环境温度T有关。体系运用单片机的定时器对超声波的往复时刻进行精确计时。选用温度传感器丈量温度，并将所得温度经A/D转化，变为数字量后，送入操控器，由软件对超声波速度进行温度补偿处理。
1 体系硬件规划
体系由单片机主控部分和超声波测距部分组成，结构如图1所示。主控部分包含单片机操控模块、液晶显现模块、温度补偿模块和串口通讯模块。超声波测距部分包含超声波发射模块和接纳模块。
单片机操控模块通过操控发射换能器发射超声波到固定端面，一起发动定时器开端计时。超声波经反射后由接纳换能器接纳，当单片机操控模块接纳到榜首个反射波信号即中止计时。单片机依据计时器值核算出时刻距离t。温度补偿模块收集数字温度，依据公式(1)核算出超声波速度v。
其间T是空气介质的温度(℃)。在丈量精度要求较高的场合，需求选用温度补偿的方法对超声波的速度校对。
最终运用公式(2)核算出换能器到障碍物之间的距离d。
液晶显现模块显现当时的温度值T和核算所得的距离d。串口通讯模块能够通过串口在线下载单片机程序。
1.1 主控部分
1.1.1 单片机操控模块
单片机操控模块为体系的中心操控单元。单片机STC89C52的INT1/P3.3端口用于输出发射器所需的40 kHz方波信号，INT0/P3.2端口用于检测接纳器输出的回来信号。液晶显现电路选用LCD1602，运用单片机的P0口和P2口完结显现功用。RXD/P3.0和TXD/P3.1端口用于串口数据的接纳与发送。P1.2和P1.3别离为超声波的接纳与发送使能端口。P3.4端口用于接纳从温度传感器DS18B20获取的温度信息。
1.1.2 温度补偿模块
由(1)式可知，温度对声速的影响较大。为了进步体系的丈量精度，添加了温度补偿模块。其间的温度传感器选用的是DALLAS公司出产的数字式温度传感器DS18B20。硬件接口简略，功用安稳，仅需一根接口线与单片机衔接;丈量温度规模为-55～+125 ℃;温度数字量转化时刻为200 ms(典型值);适合于恶劣环境的现场温度丈量。
DS18B20的管脚2与单片机P3.4接口相连，单片机通过此管脚以串行传送方法读取测温成果。依靠上拉电阻供给电源，以到达DS18B20作业电流为1 mA的要求。依据所测温度值，运用公式(1)对超声波的速度进行校对。
1.1.3 液晶显现模块
液晶显现模块用于显现当时的环境温度和测得的距离值。显现器材LCD1602的长处是微功耗、体积小、显现内容丰富。它辨认的是ASCII码，能够用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还能够用字符型常量或变量赋值。
单片机的P0口和P2口与液晶模块相连，其间P0.0～P0.7端口用于LCD1602的数据输出，P2.0～P2.2端口别离用于显现模块的数据指令挑选，读写挑选和使能操控。R6和R7别离用于调理LCD1602的亮度和对比度。
1.2 超声波测距部分
超声波测距单元的框图如图2所示。体系中选用的换能器是中心频率为40.0 kHz±0.1Hz的发射器255-400ST16和接纳器255-400SR16。该换能器具有很高的灵敏度和较强的抗搅扰才能。装置时应坚持2个换能器中心轴线平行并相距4～8 cm，若能将超声波接纳电路用金属壳屏蔽起来，可进步抗搅扰才能。
1.2.1 超声波发射电路
只需运用40 kHz的方波鼓励换能器就能够发生超声波。超声波发射电路如图3所示。电路中运用MOSFET管ZXM61P03F进行电源办理，当单片机的P1.3端口为低电平常，电路通电。MAX864为电压转化芯片，它将输入的5 V电源进行加倍，转化为正电源+10 V和负电源-10 V两路输出，供给给这以后的LM8261运用。FC1和FC0为MAX864内部晶振频率挑选位，当FC1和FC0均为高电平常，晶振频率为最大值，高频率能够确保MAX864不会对其它电路形成搅扰，此刻所需的外围%&&&&&%值(C9，C11.C12，C13)为1μF。LM8261是一个具有高输出电流的运算扩大器，较高的输出电流能够使发生的超声波有满意的能量传达较远的距离。LM8261的同相输入端与单片机的INT1/P3.3端口相连，在这个端口接连宣布凹凸电平常，LM8261的输出端就会发生方波。当方波的频率为40 kHz时，就会鼓励超声波发射器宣布超声波。
1.2.2 超声波接纳电路
接纳电路首要担任将超声波信号改动为电信号。换能器在接纳到超声波信号时，因为压电效应会在两个接头上发生弱小的电压信号，一般为毫伏级。弱小的电压信号需通过扩大电路进行扩大、整形，进一步规划比较器电路将模拟信号改动成为数字信号。
因而，接纳电路包含接纳换能器，扩大电路以及比较整形电路3部分。电路如图4所示。回波扩大电路运用的是具有两级扩大功用的LMV82 2MM，R15和R16组成分压电路，为同相输入端供给基准电压。其间能够通过调理第二级中的电位器R22来改动扩大器的增益，然后调理扩大电路的电压扩大倍数，以习惯接纳信号改变规模大的需求。
回波扩大电路和稳压电路输出的是模拟信号，电路中运用运算扩大器LMC7215组成的比较器将模拟信号改动为数宇信号，以便单片机进行处理。R20和R21为比较器供给基准电压。当反向输入端电压超越基准电压时，输出低电平，不然输出为高电平。这样，若有超声波信号被接纳，比较器电路输出端会有由高到低的电平跳变。单片机的INT0/P3.2端口衔接到比较器的输出，以捕捉电平的跳变，然后判别超声波是否被接纳。一起，比较器还处理了发射换能器宣布的超声波脉冲没有通过反射物直接被接纳器所接纳的问题。
2 体系软件规划
程序规划部分的整体思路是：
Step1：体系的初始化作业。首要包含在液晶显现屏LCD1602上显现两行预设字符，“Temp：”和“Dist：”，别离为环境温度和丈量距离的提示字符;设置定时器、外部中止的触发方法;翻开发送使能端P1.3和接纳使能端P1.2;清零丈量成功标志succeedFlag。
Step2：运用温度传感器DS18B20丈量环境温度，并将温度值显现在液晶显现屏榜首行“Temp：”的后边;依据公式(2)
核算出超声波的传达速度。
Step3：发动定时器T1开端计时，一起接连发送8个频率为40 kHz的超声波信号(对P3.3口的高、低电平别离进行12μs、13μs的延时，实现从P3.3口输出频率为40 kHz的方波信号);延时10μs后，翻开外部中止EX0和总中止EA，等候IT0/P3.2处电平的跳变。10μs的延时也能够有用地防止发射换能器宣布的超声波脉冲没有通过反射物直接被接纳器所接纳的问题。
Step4：超声波在传达过程中，遇障碍物后反射回波。当接纳探头接纳到回波时，外部中止0被触发，此刻履行中止服务程序。即取出定时器的凹凸位TH1和TL1，置位丈量成功标志succeedFlag，并封闭中止。定时器所计的数据即为超声波所阅历的时刻t。
Step5：由以上过程中所得定时器的值和超声波速度，依据式(1)核算丈量距离。
Step6：重复过程2～5五次后，取得5次测距值。去除其间的最大值和最小值，取中心3值的平均值为当时的测距成果，并将测距成果显现在液晶显现屏第二行“Dist：”之后。
Step7：重复过程2～6，当有接连三次的准备显现测距成果与当时的显现成果不一起，将准备显现测距成果显现在液晶显现屏上。这样规划是为了防止显现频频导致的液晶显现颤动。
Step8：重复过程2～7进行接连地丈量。
程序中显现一次测距成果的流程图如图5所示。
3 试验
3.1 调试过程中呈现的问题及处理办法
1)回波信号的误接纳
因为超声波发射探头和接纳探头距离较近，当发射探头发射超声波后，有部分超声波没通过障碍物反射就直接绕射到接纳探头上，这部分信号影响了体系的丈量成果。规划中选用了两个办法来处理这个问题，一是稍微增大发射探头和接纳探头之间的距离，使影响下降;二是在发射完超声波之后，开外部中止之前添加10μs的延时，接纳电路对此期间接纳到的任何信号不予理睬，延时之后接纳到的信号才是有用的回波信号。
2)外部中止0的触发方法
没有接纳到超声波信号时，INT0/P3.2引脚为高电平;接纳到超声波信号之后，该引脚变为低电平。因而理论上外部中止0的触发方法选用下降沿触发和低电平触发均可。而在实践电路中，当选用下降沿触发方法时，因为噪声的影响，在没有回波被接纳的情况下，P3.2引脚的高电平常常会呈现向下的毛刺信号，该信号引起外部中止，形成了接纳到回波信号的误判。处理办法是选用低电平触发，一起在进入外部中止之后判别低电平的持续时刻是否大于20μs，只有当满意持续时刻要求时，才断定接纳到的信号为回波信号，而非噪声。
3.2 测距成果及剖析
为了验证体系的功用.在试验室进行了实地丈量。将超声波探头正对平坦的墙面进行丈量，依据距离不同记录了12次试验成果，测距成果如表1所示。表中的实践距离是用塑料软尺丈量得到的，丈量距离为丈量5次成果之后的平均值。
差错发生及丈量规模有限的原因首要有：
1)超声波能量的衰减。因为超声波在传达途中回波起伏随传达距离成指数规则衰减，使得远距离回波很难检测，即便体系已选用相关办法来防止差错，可是超声波能量的衰减是不可能防止的;
2)丈量盲区。超声波测距体系丈量盲区的核算办法为发动定时器与翻开外部中止之间的时刻距离的一半与超声波速度的乘积;
3)接纳整形电路形成的时延，信号传输和发射中的失真。
4 定论
规划的超声波测距体系具有很好的安稳性，接连丈量时有很好的响应速度。一起，体系具有结构简略、功耗小、成本低的特色，有杰出的人机界面，能便利地实时显现测距数据。当然，要满意更高的精度要求，还须进行恰当改善，在某些特殊场合的运用中，还要考虑超声波的入射角、反射角以及超声波传达介质的密度、外表润滑度等要素。
