超声波测距是一种利用超声波的可定向发射、指向性好等特性、结合电子计数等微电子技术来实现的非接触式检测方式。在使用中不受光线、电磁波、粉尘等因素影响，加之信息处理简单、成本低、速度快，在避障、车辆的定位与导航、液位测量等领域应用更为广泛。
下面利用超声波的反射特性，结合单片机的定时器和中断功能，检测障碍物的距离，并将其显示在数码管上。从而实现了一个简单的超声波测距装置。
超声波传感器有多种结构形式，可分成直探头接收纵波、斜探头接收横波、表面波探头接收表面波、收发一体式探头、收发分体式双探头等。超声波传感器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封放水型等多种产品。一般电子市场上出售的超声波传感器常见的有收发一体式和收发分体式两种。其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的传感器，既可发送超声波，又可接受超声波收发分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。
在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多，频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高。可根据实际情况进行选用。本实例采用40KHz收发分体式超声波传感器，由一支发射传感器UCMT40K1和一支接受传感器UCMR40K1组成。
此装置的硬件电路主要包括3个部分：发射电路、检测电路、显示电路。系统整体框图如下图所示。发射电路采用单片机端口编程输出40KHz左右的方波脉冲信号，同时开启内部定时器T0。单片机的输出端口一般驱动能力较弱，为增大测量距离可在发射电路上增加功率放大电路。从接收传感器探头传来的超声回波很微弱（几十个mV级），又存在较强的噪声，所以必须增加放大电路和抑制噪声电路。
放大电路输出的信号是连续的正弦波叠加信号，而单片机所能接受的中断响应信号常为下降沿脉冲信号，故需要在放大电路后增加比较电路，将正弦信号转换成方波信号，用方波的负跳变作单片机的中断输入，使得单片机知道已接收到超声信号，内部计数器停止计时。
显示电路可采用多种方式，液晶、数码管等都可以，本设计中采用3位动态显示。数据XXX表示XXXCM。
1．发射电路的设计
发射电路设计的主要目的是抬高输入到发射探头的电压及其功率。本例用单片机Pl.0发射一组方波脉冲信号，其输出波形稳定可靠，但输出电流和输出功率却很低，不能够推动发射传感器发出足够强度的超声信号，所以在此间加入一单电源乙类互补对称功率放大电路。如下图所示。
本设计中VCC采用12V。选用100UF/50F的电解电容，负载电阻为45Ω。功率管选用 2SC1815，2SA1015两匹配三极管，其耐压BVCEO为50V。
2．接收电路的设计
接收电路主要包括两部分：前置放大电路和带通滤波电路。
前置放大电路单元的作用是对有用的信号进行放大，并抑制其他的噪声和干扰，从而达到最大信噪比。如下图所示。
本设计中取R2=lkΩ，R3=200kΩ，Rp=lkΩ，即放大电路将信号放大200倍。
在传感器接收的信号中，除了障碍物反射的回波外，总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声，而前端放大电路在放大有用信号的同时，会将一部分的噪声信号同时放大，并没有提高输入信号的信噪比。总噪声主要包括50Hz的工频干扰，以及在高频率段的接收机内部噪声。可用运算放大器构成一带通滤波器，保留40kHz有用信号，滤除干扰，如下图所示。
从工程实践考虑，与运放两个输入端相连的外接电阻必须满足平衡条件，即：
R6=R8//R7=2R=8KΩ。由此可得R7=12.8KΩ，R7=21.3KΩ。
3．检测电路的设计
检测电路要求保证每次接收信号都能被准确地鉴别出来，通常利用比较器将输入信号与某一固定电平进行比较，输出不同的电平来产生上升或下降沿触发，转换成数字脉冲去触发单片机的外中断引脚。该电路如下图所示。由于LM393是开漏输出，所以在输出端加上拉电阻Rll。电容R5起简单滤波作用。R9、Rl0分压得到参考电压。前级放大滤波电路输出是5V左右连续信号连续叠加，所以分别取R9=20kΩ，Rl0=lkΩ，参考电压为238mV。
此系统软件主要实现以下3个功能：信号的发射控制、数据存储处理和显示输出。为了得到发射信号与接收回波间的时间差，要读出此时计数器的计数值，但此值不能作为距离值直接显示输出，计数值与实际的距离值之间转换公式为：S=0.5×V×T=0.5×344×T=172×T，其中，T为发射信号到接收之间经历的时间。由于单片机是按照十六进制进行运算，所以得出的并不能直接显示，需要进行转换。在这个部分中，信号处理主要包括计数值与距离值换算，以及二进制与十进制转换。
整个系统的软件结构可以分为主程序、子程序和中断服务程序分别如下图所示。
在初始化以及调用发射子程序后打开定时器开始计时，程序进入中断响应的等待。程序的初始化主要是定时器的初始化，程序如下：
此系统在空气中测量范围为0m～4m。测量时要求被测表面比较光滑平坦，超声波能够被反射回来。经试验此系统线性度、稳定性和重复性都比较好。若需更进一步提高系统的精度，可通过扩展温度传感器，测量环境温度，计算出当时声速速度，进而计算距离。
本文关键字：超声波 传感-检测-采集电路，单元电路 - 传感-检测-采集电路
