51单片机超声波测距仪设计+电路图+原理图(2)
超声波测距的方法是一种极有潜力的方法，本文设计介绍的超声波测距系统基于单片机AT89C51由超声波传感器发射接收超声波，并经由单片机处理将结果由LED(Light Emitting Diode)显示器显示出来，整个系统具有高精度、低成本、工作稳定、性能良好等优点，且结构简单，工作可靠。
1. 超声波测距仪的测量原理
1.1 超声波概述
声音是一种自然现象，它与人们的生活有着密不可分的联系，人们的日常生活中有着各种各样的声音，也正因此，人们在很早以前就对声音有了一定的认识。在科学史上，声学成为了最早形成并发展的学科之一。但是，由于超声超出了人耳所能听取的信号范围，直到18世纪，人们才在研究蝙蝠、海豚等生物时，才推测在自然界有着超出人们听觉范围的声音。人类听觉的上限频率约为20000Hz，我们频率高于20000Hz的声波，称为超声波，或者称超声。超声波在一种介质中的传输速度即该介质的声速。
声速是随着介质及介质的状态(比如温度)的改变而改变。在常温下，声音在空气中的传播速度约为每秒334米，在水中的传播速度约为每秒1440米，而在钢铁中则约为每秒5000米。其中，在流体中声音的速度与所承受的压力承正比例关系。而大部分液体（除水以外），声音在其中的传播随温度的升高而加快[1]。
在实际应用中，在已知声音在该介质中的传播速度的前提下，利用超声波的传播距离S及其传播时间t的关系S=vt，进行超声波测距，超声波测厚计和超声波液位计就是对一概念应用典型。
1.2 将超声波用于测距的原理
超声波测距的方法有多种，比如相位检测法，但是该方法虽然精度高，但检测范围有限；其次还有声波幅值检测法，但易受反射波的影响。本设计采用的是往返时间检测法测距。其原理是将一定频率的超声波通过超声波传感器发射，以空气为介质进行传播，在到达障碍物或者测量目标后反射回来，这些反射后的声波脉冲由超声波接收器接收，其在传播过程中所经历的时间就是声波在测距点与障碍物或者测量目标之间的往返时间，这个时间与超声波在传播中走过的路程有着直接而确切的关系[2]。通过测试传输时间就可以通过计算得出距离。其原理如图1所示。
图1 超声波测距原理图
通过超声波传感器发出的超声波，在空气中传至被测物，经障碍物反射后，反射脉冲由超声波传感器接收，测量超声波脉冲从发射到接收的时间，在已知超声波声速的前提下，利用公式(1)
（1）
即可计算得到传感器与反射点之间的距离S,而测距仪与障碍物之间的距离d则为公式（2） （2）
当S>>h时，d≈S,，即公式（
对超声波整个传播过程时间的测量关键在于到对超声波回波前沿的检测。目前使用的方法有信号过零检测，包络检测和脉冲检测等方法。本设计主要是用脉冲检测法，这种检测方法主要是检测由回波信号检测电路所产生的脉冲，实现起来要比包络检测法更加方便，精度比较高，电路实现相对简单[3]。实现的具体方法就是首先放大处理回波信号，然后送入比较器，将阂值调整到合适值后，就会产生40kHz的方波自比较器输出。利用中断或者查询的方法就可以将这些脉冲检测出来，对于测量出脉冲由发射到接收的时间。
1.3 压电式超声波传感器原理及特性