超声波测距系统的设计与研究

王巧花，邬昌军

（郑州轻工业学院机电工程学院摘河南郑州450002）要：介绍的超声波测距系统，采用渡越时间法实现了空气测距目的。该系统以单片机作为核心控制器，控制超声波的发射和接收，记录超声波由发射到反射所经历的时间，最终计算出距离，并显示。系统软硬件均采用模块化设计，硬件电路结构简单，多采用集成芯片，减少了电路间干扰，便于调试。该测距系统通用性强，可用于倒车雷达、物体位置测量等场合。

关键词：超声波传感器；测距；CX20106A；单片机

Thedesignandstudyoftheultrasonicrangingsystem

（CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，ZhengzhouUniversityofLightIndustry，ZhengzhouAbstract：Thepaperintroducestheultrasonicrangingsystem，whichachievedtheaimofrangingintheairusingthetimeofflight.Thesinglechipasthecorecontrollercontrolstheultrasonicwaves’transmittingandreceiving，recordsthetimeofflight，calculatesdistancefinally，andshowsdistance.Thisrangingsystemhasthemorestronggeneralityandiscapableofparkingdistancecontrolandmeasuringpositionobjectandsoon.

KeyWords：ultrasonicsensor；ranging；CX20106A；singlechip

中图分类号：TP212

文献标识码：A

文章编号：1007－3582（2009）05－0041－03

450002，China）WANGQiao-hua，WUChang-jun

Thesoftwareandhardwareinthissystemaredesignedbasedonmodularization。Thehardwareissingleandusesthemoreintegratedchip.Sothecircuitreducesinterference.Andthedebuggingisalsoeasy.

距离是在不同场合和控制中经常需要检测的一个参数，人们一直都在研究和探讨实现距离测量的最佳方法。超声波测距作为一种非接触式距离测量方法，具有不受外界光及电磁场等因素影响的优点，实现起来，电路结构简单，成本低。且超声波本身具有易于定向发射，方向性好，强度好控制，对人体伤害小等特点。基于这些优点和特点，超声波测距具有广阔的应用前景，需要不断地研究以提高测量精度和开辟新的应用场合。将介绍一种基于

收稿日期：2009-05-20

作者简介：王巧花（1977-），女，硕士，助教；研究方向为机电系统智能控制与自动化。

邬昌军（1977-），男，硕士，助教；专业方向为CAD/CAM。

单片机的超声波测距系统，利用超声波在空气中的时间差来测量距离。1超声波传感器及测距原理

超声波是指频率高于20KHz的机械波，为了以超声波作为检测手段，必须有产生超声波和接收超声波的装置，完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头

［1］

。超声波探头常用的材料是压电晶体或压电陶

瓷，这种探头统称为压电式超声波探头，利用压电材料的压电效应来工作的，其压电效应具有可逆性。逆压电效应是将高频电脉冲转换成高频机械振动，以产生超声波，可作为发射探头。正压电效应是将高频机械振动转换成高频电脉冲，可接收超声波信号，作为接收探头。

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其它GrainDistributionTechnology王巧花等：超声波测距系统的设计与研究［4］

（接收信号一般为mV级），而且混有干扰信号。

超声波传感器一般有收发一体式和收发分体式两种结构形式，常用的测距方法是渡越时间法。以分体式结构为例，测距原理如图1所示。超声波传感器发射探头T发出超声波，经介质传播，中途遇到障碍物后反射回来，被超声波传感器接收探头R接受，只要测出超声波从发射到接收所经历的时间，即渡越时间，然后乘以波速再除以二就可得到声源与障碍物之间的待测距离，20℃时的波速为344m/s。

为了检测出回波信号，需对超声波传感器接收的信号进行放大、滤波、整形等处理。

CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯

图1

超声波测距原理

超声波接收电路如图4所示，采用了集成芯片

片，内部含有信号放大、带通滤波、检波等电路。超声波传感器接收的信号至输入端1引脚；2引脚与GND之间连接RC串联网络，改变RC的数值能改变前置放大器的增益和频率特性；3引脚与GND之间连接检波电容；4引脚接地；5引脚用以设置带通滤波器的中心频率f0，通过电阻R接电源，阻42KHz；6引脚与GND之间接积分电容；7引脚输出端，平时为高电平，接收到回波信号时下降成低脚接电源。

2硬件设计

在超声波测距系统中，频率过低，外界的干扰较多，不利于信号检测；频率过高，虽分辨力强，但传播过程中衰减较大，检测距离短［2］。因此，本设计选用中心频率（即压电晶片的谐振频率）为40KHz的收发分体式超声波传感器。

本设计以单片机作为主控制器，硬件电路结构框图如图2所示，主要由超声波发射电路、接收电路及LED显示电路3部分组成。

值越大，中心频率越低，取R=200kΩ时，f0·

电平，把它作为单片机的外部中断请求信号；8引

CX20106A作为超声波回波信号的检测芯片，

电路结构简单，且有很高的灵敏度和抗干扰能力，满足了接收电路的要求［5］。

图2

硬件电路结构框

2.1超声波发射电路

探头，故发射电路主要由反相器74LS04构成，电输出40KHz方波信号，一路经一级反向器后送到超声波发射探头的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波发射探头的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波发射探头的两端，产生超声波。电路中采用两个反向器并联以提高驱动能力。上拉电阻R1、R2一方面可以提高

3软件编程

整个测距系统以单片机作为主控制器，软件编程采用模块化设计，由主程序、40KHz方波脉冲产生子程序、计算距离子程序、显示子程序及中断处理程序组成。3.1主程序

主程序流程图，如图5所示。主程序对系统环境初始化后，首先置位回波接收标志位和由单片机

本设计选用的超声波传感器为开放式非防水

路原理图如图3所示。由单片机的I/O口P1.0口［3］

反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波发射探头的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。2.2超声波接收电路

超声波在空气中传播时，能量随距离的增加而减小。因此，超声波测距系统中，回波信号弱小

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P1.0口输出10个频率40KHz的方波脉冲信号，同时启动定时器T0。为避免超声波从发射探头直接传送到接收探头引起误判断，需延迟0.1ms后再开外部中断0检测回波信号。然后调用计算距离子程序，根据定时器T0记录的时间计算出待测距离。接着调用显示子程序，将测出距离以十进制BCD码方式送LED显示。最后主程序通过回波接收标志位判断是否接收到回波信号，若标志位仍然置位，说明未接收到回波信号，则继续显示等待回波信号的接收；若标志位清零，说明接收到回波信号，则主程序返回到起始端重新置位回波接收标志位和发送40KHz方波脉冲信号，如此往下运行，循环往复。

其它GrainDistributionTechnology可增加温度补偿电路，实时检测环境温度，通过软件编程对波速加以校正。

c=331.5+0.607T（m/s）（2）回波受干扰信号影响，一次测量结果可能具有较大误差。减少这种误差可采用求平均值的方法解决。连续测量多次，去掉测量结果中的最大值和最小值，然后对其余的测量结果取平均值作为本次测量结果，用于显示和保存。5结论

利用超声波实现了非接触距离测量，随着对超声波测距影响因素的研究，测量精度将不断提高。本文介绍的超声波测距系统，通用性强，以单片机作为核心控制器，软硬件均采用模块化设计，电路简单，便于调试，可广泛应用于倒车雷达、物体位置测量等场合。

3.2中断处理程序

中断处理程序流程图，如图6所示。通过前面的超声波接收电路，若接收到回波信号，则芯片引脚，引起中断，系统转入中断处理程序。进入中断后，立即关定时器T0和外部中断0，读取时间值，并给回波接收标志位清零，说明成功接收回波信号。4误差分析

（1）超声波在空气中传播时，波速会受到多种因素影响，其中空气温度的影响最大，空气温度T与波速c的关系如下式所示。为了提高测量精度，CX20106A的7引脚会产生低电平至单片机的INT0

参考文献：

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2007.

［2］沙占友.传感器原理与应用［M］.北京：电子工业出版

社，2004.

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［4］赵珂.时差法超声测距仪的研制［J］.国外电子器件，

2005（1）：65-67.

［5］张丹，凌阳.SPCE061A单片机超声测距系统设计［J］.

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