51单片机便携式超声波液位仪设计+电路图+源程序(3)
2.1.1 超声波的产生
产生超声波的方法有很多，常见的方法有磁致伸缩，压电效应，静电效应以及电磁效应等，这里需要介绍到超声波换能器的概念，通俗的说，能实现其他形式能量与声波能量之间的转化的器件统称为超声波换能器。这里需要介绍现在比较常用且性能良好的超声波换能器件HC-HR04，其原理是采用压电效应实现超声波信号与电信号之间的转换，压电材料也在其中扮演着很重要的角色，其相关电气参数如下：
表2.1 HC-SR04超声波收发模块电气参数
HC-SR04超声波收发模块的测距范围是2cm-400cm,且测距精度为3mm，有4个引脚分别是VCC、GND、Trig和Echo，由超声波发射模块，超声波接收模块，控制电路模块三个部分组成。其基本工作原理如下：通过单片机送给Trig口最少10μs的高电平信号，从而触发测距系统，模块紧接着会发送8个40kHz的超声波，并且自动检测有无信号返回；若无信号返回，则系统间隔一段时间后进行下一次测量；若接收到回波信号，则超声波模块通过Echo管脚给单片机发射一个高电平信号，单片机停止计数，计数值乘以内部时序周期就能计算出超声波往返于物体与模块之间的时间，在利用距离公式将一半的时间乘以当前声速即得到所测距离，当然为了考虑到偶然误差可以进行多次测距然后求平均值的方法来减小误差。
图2.2 超声波时序图
由以上时序图可以清楚的看出，在实际测量过程中只需通过编程让单片机定时发送一个10μs以上的TTL信号，该模块将会自动发送8个40kHz的方波信号，模块自动检测有无回波[4]。当检测到回波信号时模块立马通过Echo引脚发送回响信号，且回响信号的脉冲宽度与实际距离成正比，最后在由上面介绍的公式计算出实际距离。之前提到过若没有接收到回波信号则间隔一段时间后继续测量，这是为了避免发射信号肯能对回响信号产生的干扰，一般测量周期为60ms以上[5]。另外在实际操作中有两点需要特别注意：一是为了保证测量仪器的正常工作，应尽量避免模块带电工作，若需要带电连接，则首先让模块的GND先连接，否则会影响模块的正常使用；二是在测量时应保证被测物体的表面尽量光滑平整 ，且面积不少于0.5m²。
2.1.2 超声波的传播
只有超声纵波才能在空气中传播，平面波不存在扩散衰减，非平面波存在扩散衰减。除此之外，超声波的传播还受到传播介质的影响，对于气体而言，可参考液体的衰减，主要是介质吸收衰减，介质粘滞系数越大，超声波频率越大，衰减越严重；介质密度越大，介质中波速越大，介质温度越高，衰减就轻。关于这一点我们可以联想到海上游轮的雾号声，其声音低沉庄重，有的雾号的频率只有27Hz,这种号声在传播16km以后还能被人听到,若提高号声的频率，则传播距离则会大大缩短。由于气体组成成分除了影响气体密度外，气体中的一些粉尘和固体杂质会吸收和散射一部分超声波。且声波与声波的相互作用，可能会使声波在某一个位置互相叠加，也可能互相抵消，这方面可以参考声学定向，这也就是为什么之前提到的要间隔一段时间进行测量，就是为了防止声波间的相互作用[6]。反射声波的物体径向距离发生改变，会产生多普勒效应，被反射的声波频率会有改变。
2.2 超声波测距系统原理
发射端发送一系列超声波后得到反射回波，回波为一连串的方波，方波的脉冲宽度与被测物体距离超声波模块的距离成正比，即脉冲宽度越大，与被测物体间的距离越大，接收到的脉冲的个数与测量距离成正比。