① 超聲波測距離
一種用於汽車倒車避撞的超聲波無線距離測量系統
Research of Ultrasonic Distance Measurement System
Abstract: A kind of ultrasonic distance measurement system used in the car is designed in this paper. The system includes the lower microcomputer system and the upper microcomputer system. The lower microcomputer system is mainly composed of ultrasonic transmitting circuit, receiving circuit ，wireless communicating mole and microcomputer. The data from the lower microcomputer system is transmitted to the upper microcomputer system by the wireless way. The design principle of ultrasonic distance measurement circuit is analyzed. The design method that the data is transmitted is also introced. The system is of the characteristics of measurement convenience, fast response and stability.
Key words : wireless communicating；microcomputer； ultrasonic；distance measurement；temperature compensation
摘 要：本文介紹一種用於汽車倒車避撞的超聲波無線距離測量系統。系統由下位機與上位機兩部分組成，下位機主要由超聲波發射電路、超聲波接收電路、無線收發模塊及單片機組成，上位機由單片機、無線收發模塊、顯示電路等組成，下位機與上位機之間通過無線收發模塊傳輸信息。文中分析了超聲波測距電路的設計方法，敘述了採用無線通信技術實現數據遠程傳輸的設計思路。該系統測量距離方便、靈活、穩定。
關鍵詞：無線通信；單片機；超聲波；距離測量；溫度補償
1. 引言
隨著經濟的發展，人們的生活水平越來越高。當今，對許多人來說，汽車進入家庭已不再是奢望，但隨之而來的事情就是如何保證汽車使用過程中的安全問題，特別是如何防止汽車與其他物體碰撞的事情發生。據初步調查統計，l5%的汽車事故是由汽車倒車「後視」不良造成的。因此，增強汽車的後視能力，對於提高行車安全，減輕司機的勞動強度和心理壓力，是十分重要的。如果車輛能適時檢測與周圍障礙物的距離並給出警告信息，使司機及早採取行動，可避免車輛相撞事故的發生。
隨著科學技術的發展，用超聲波進行無接觸測量得到了廣泛的應用。超聲波是由機械振動產生的,可在不同介質中以不同的速度傳播，它具有定向性好、能量集中、在傳輸過程中衰減較小，反射能力較強，在惡劣工作環境下具有一定的適應能力等優點。因此可用於液位測量、車輛自動導航[2]等領域。本文介紹一種基於無線數據傳輸方式的超聲波車輛倒車避撞預警系統。
2. 超聲波測距原理
發射的超聲波遇到障礙物時就會發生反射，反射波可由接收器接收，這樣只要測出超聲波從發送點到反射回來的時間間隔Δt，然後根據公式（1）即可求出超生波從發射處到障礙物之間的距離。
S=CΔt/2 （1）
式中：S—超生波發射處與障礙物間的距離
C—超聲波在介質中的傳播速度
由於超聲波是一種聲波，其聲速C受環境溫度的影響，關系如式（2），因此使用超生波測量距離時應該採用溫度補償的方法對式（1）中的聲速值加以校正。
C=331.4+ 0.61×T （2）
式中：T—環境溫度
3. 硬體電路設計
如圖1，硬體電路主要由單片機、超聲波感測器、溫度測量電路、無線收發模塊等組成。
系統中單片機均採用ATMEL公司的AT89S51作為核心控制晶元，它與MCS-51的指令和引腳兼容[1]，並且具有ISP在線編程功能，便於系統的設計和調試。
超聲波感測器是超聲波測距電路中的重要元件,其性能優劣直接影響到測距准確度和可靠性。通常超聲波感測器有兩類:一類是發射電路和接收電路互相獨立的分體式超聲波感測器,此類感測器測距有效范圍比較大,但不具備防塵、防水性能。另一類是同時具有發射與接收功能的收發一體式超聲波感測器，此類超聲波測距有效范圍比較小,但防塵、防水性能好。該系統選擇分體式超聲波感測器。
考慮到超聲波具有指向性，本系統在汽車尾部左、右兩個部位各安裝一個超聲波傳
感器，適當調整安裝位置，可准確測量汽
車後部障礙物。
如圖1所示，下位機的P1.1、P1.2引腳分別用於控制兩路超聲波發射，INT0，INT1分別用於兩路超聲波信號檢測，P1.3用於溫度檢測，串口RXD、TXD分別連接無線收發模塊A的輸入、輸出端。同樣，上位機串口RXD、TXD分別連接無線收發模塊B的輸入、輸出端，當接收到下位機發送的測量數據時，下位機進行處理，然後顯示測量結果，當車輛離障礙物的距離超過安全警戒線時發出報警信號。
實際安裝時，該系統的下位機部分安裝在汽車的尾部，上位機部分安裝於駕駛室內。
3.1 超聲波發射電路
超聲波發射電路由超聲波換能器（或稱超聲波振頭）和超聲波發生器兩部分組成，電路如圖2所示。系統中，超聲波換能器的型號為CSB40T，它將超聲波發生器提供的電信號轉換為機械振動並發射出去。40KHz的超聲波信號是利用NE555時基電路振盪產生的，振盪頻率f ≈1.44/((R22+2×R23)×C21)，通過R23調節信號頻率，使之與換能器的40KHz固有頻率一致。工作時，下位機通過P1.1口定時向超聲波發生電路發出控制信號，超聲波發生電路產生40KHz的調制脈沖，經換能器轉換為超聲波信號向前方空間發射。
3.2 超聲波接收電路
超聲波接收電路採用了集成電路CX20106A，CX20106A是日本索尼公司生產的紅外遙控信號接收集成電路，它由前置放大、自動偏壓控制、振幅放大、峰值檢波和整形電路組成。該集成電路紅外發射的頻率38KHZ，超聲波換能器的固有頻率是40KHz，適當設計CX20106A外圍電路參數,就可以將其用於超聲波的接收放大電路，如圖3所示，引腳1為CX20106A信號輸入端，引腳2為CX20106A的RC網路連接端，引腳3為CX20106A檢波電容連接端，
引腳4為CX20106A的接地端，引腳5為CX20106A帶通濾波器中心設置端，引腳6為CX20106A積分電容連接端，引腳7為CX20106A信號輸出端，引腳8為CX20106A供電電源端。
工作時，換能器CSB40T將所接收到的微弱聲波振動信號轉化成為電信號，送給CX20106A的輸入端1，當CX20106A接收到信號時，7腳就會輸出一個低電平，可用於下位機的中斷信號源。當下位機接收到中斷信號時，說明檢測到了反射回來的超聲波，下位機就進入中斷狀態，開始距離計算，並將計算結果發送給上位機。
3.3溫度檢測電路
溫度檢測電路採用DALLS公司的1-WIRE式匯流排器件DS18B20數字溫度感測器，電路連接非常簡單，但是必須保證時序與單片機嚴格同步。DS18B20具有9，10，11，和12位轉換精度，未編程時默認精度為12位，測量精度一般為0.5℃，軟體處理後可達0.1℃。溫度輸出以16位符號擴展的二進制數形式提供，低位在先，以0.0625℃/ LSB形式表達，高五位為擴展符號位。轉換周期與轉換精度設定有關，9位精度時，最大轉換時間為93.75ms；12位精度時，最大轉化時間為750ms。在本系統中採用默認的12位精度。關於DS18B20的使用方法可參考有關書籍。
3．4 數據無線收發模塊
為避免在車內鋪設電纜，系統的上位機部分與下位機部分採用無線的方式進行通信。
無線通信模塊採用PTR2000，它是收發一體的工作在國際通用數傳頻段433MHz的無線通信模塊，最高傳輸速率可以達到20Kbit/s，功耗低，待機狀態下僅為8μA，可以直接與單片機的串口連接使用。PTR2000的引腳定義如下：TXE是發送控制端；PWR是節能控制端；DI是數據輸入端；DO是數據輸出端；CS是頻道選擇端。
硬體連接時，由單片機3個通用I/O口分別控制TXE、PWR、CS，單片機的串口與DI，DO連接。TXE為1時，為發送狀態，TXE為0時，為接收狀態。狀態轉換需要5毫秒。PWR為0時，為節電待機狀態，此時模塊無法進行接收或者發送。
無線通信具有無需布線、便於安裝、靈活性強等諸多優點，但是數據在傳輸過程中難以避免的會產生誤碼，而且產生誤碼的幾率要遠遠大於有線網路，並且誤碼的產生與多方面的因素有關，因此有很大的不確定性。所以必須採用一種差錯控制機制，該系統採用停止等待協議來實現差錯控制。此外，還採用校驗機制以確定何時需要重傳，CRC校驗碼的檢錯能力很強，它除了能檢查出離散傳輸錯誤外，還能檢查出突發傳輸錯誤。考慮到硬體和傳輸的開銷問題，使用CRC16校驗碼。
PTR2000靈敏性很高，在無載波的情況下在接收端會產生隨機的數據，因此需制定傳輸協議，格式如表1所示。通信協議中，必須在有效數據前加上兩個或多個固定的前導字元作為同步信號，使得接收端能夠辨別出有效數據的開始。
前導字元採用0xAA、0xAA、0xFF、0x00共4位元組，其中前兩個位元組為同步信號，後兩個位元組為幀開始標志，接收端只要能夠接收到0xAA、0xAA、0xFF與0x00，就可以認為新的一幀開始了。幀類型分為數據幀、有序數據幀、控制命令幀、確認幀等多種幀類型。幀編號為可選項，與幀類型相關，只有幀類型是有序數據幀時才有效。校驗為2位元組CRC16校驗碼。幀結束標志：為0x00。
4.軟體設計
4.1下位機程序設計
下位機程序主要由數據通信程序、距離計算程序、溫度補償程序等組成。
距離計算程序流程圖如圖4所示。
溫度補償通常有兩種方法：一種方法是每次按照公式C=331.4+ 0.61×T計算當前聲速C，進行溫度補償。其特點是：根據當時的溫度得到精確聲速，從而計算得到的距離值也比較精確，但程序中牽涉到浮點數運算，由微處理器系統實現，難度較大。另一種方法是將溫度與聲速的對應關系列成溫度---聲速二維表，固化到系統中。溫度補償時，根據溫度---聲速表，查取最接近當前溫度的那個溫度所對應的聲速值，此聲速值即作為當前聲速。其特點是：避開了復雜的浮點運算和浮點運算後各位元組的提取操作，這樣既保證了一定的精度要求，又可以避免浮點運算。因此本系統採用方法二進行溫度補償。程序流程圖略。
4．2 上位機主程序設計
上位機與下位機通信時，上位機按照通信協議格式將開始測量命令發送給下位機，下位機接收到命令後就開始測量汽車離障礙物的距離，然後將測量結果發送給上位機，上位機先判斷前導字元來確定是否為有效數據，若是有效數據，則解開封包進行相應操作，否則丟棄該數據包，上位機再按照同樣的方式繼續發命令、接收數據，直到接收到正確的數據為止。程序流程圖如圖5所示。
5 結束語
通過對系統硬體電路和軟體的合理設計，本系統能在-20℃到50℃之間正常工作，三位數碼管以厘米為單位顯示距離，能准確判斷距離汽車1.5米內的物體並及時報警，提高了汽車倒車的安全性。本文的創新點是在汽車防撞系統中採用了數據無線通信策略，減少了車內布線。
參考文獻：
[1]MCS-51系列單片機應用系統設計，何立民，北京航空航天大學出版社，1990年.
[2]高准確度超聲波測距儀的研製，趙珂，向瑛等，感測器技術,2003年第2期.
[3]無線通信在嵌入式系統中的應用，曹玲芝，石軍等，微計算機信息，2005年第11期
作者簡介：
曹玲芝，女，1965年生，碩士，副教授，主要從事遠程測控技術研究。
聯系方式：鄭州輕工業學院電氣信息工程學院辦公室 郵編 450002
Email: [email protected]
任亞萍，女，1973年生,碩士生,主要從事計算機技術研究.
② 使用超聲波進行距離測量，最遠可以測量多遠
超聲波測距，基本原理是：超聲波發射頭發射超聲波，超聲波遇到被測物後返回，被超聲波發射頭旁邊的感應器感知，設經過的時間為t，又知聲音在空氣中的速度為v，這樣距離便是超聲波傳播距離的一半，即v*t/2。
能測多遠與 超聲波發射頭功率，被測物表面狀況、感應器靈敏度有關。
精度與硬體品質、軟體演算法、被測物反射面與超聲波探頭的角度 有關！
③ 超聲波測距電路的種類
1.使用超聲波發射頭UCM40T，發出40kHz的脈沖超聲波，且持續發射200ms。
接收頭採用與發射頭配對的UCM40R，將超聲波調制脈沖變為交變電壓信號，經運算放大器IC1A和IC1B兩極放大後加至IC2。IC2是帶有鎖定環的音頻解碼集成塊LM567，輸出由高電平躍變為低電平，作為中斷請求信號，送至單片機處理。
2.集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用晶元，常用於電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它製作超聲波檢測接收電路。
3.通過單片機的輸入捕捉功能,如用PIC16F87單片機,將輸入的超聲波信號放大整形後經過單片機分析頻率,處理得出是否接收到了聲波.
由於超聲波波速與溫度有關,因此電路最好帶上測溫電路,由溫度算出波速再測距。
④ 超聲波測距儀原理圖
超聲波測距原理是在超聲波發射裝置發出超聲波，它的根據是接收器接到超聲波時的時間差，與雷達測距原理相似。 超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。
（超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t（秒），就可以計算出發射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2）
超聲波指向性強，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用於距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易於做到實時控制，並且在測量精度方面能達到工業實用的要求，因此在移 動機器人的研製上也得到了廣泛的應用。
為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。本文所介紹的三方向（前、左、右）超聲波測距系統，就是為機器人了解其前方、左側和右側的環境而提供一個運動距離信息。
為了研究和利用超聲波，人們已經設計和製成了許多超聲波發生器。總體上講，超聲波發生器可以分為兩大類：一 類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生 的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。較為常用的是壓電式超聲波發生器。
⑤ 超聲波測距原理不懂
超聲波測距就是你發出去一個你定義好的波形，比如說是ababababab，你發出去後開始計時，他沿著超聲波發射器垂直發射，遇到一個障礙物，這個波就被反射回來了，當你的接收器收到這個波形，abababab，計算他們之間的時間差，在乘以聲波在該溫度下的速度，就是距離，不過這個是去回兩段的，再除以2 就是你與障礙物之間的距離了，要精準的話還要加一個溫度感測器，採集溫度，來對應該溫度的傳播速度。希望對你有幫助
⑥ 超聲波發射探頭與接收頭可以通用嗎單探頭的超聲波測距電路時用哪個型號的探頭呢
壓電式的可以，機械式的不可以。
壓電式超聲波發生器實際是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等於壓電晶片的固有震盪頻率時，壓電鏡片就會發生共振，並帶動共振板震動，便產生超聲波，反之，如兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，共振板將壓迫晶片震動將機械能轉換為電信號。這時她就成為超聲波接收器了。
⑦ 超聲波測距的發射器
如果放大倍數增大時會出現錯亂的情況，那應該是的信號的信噪比不夠，即你將信號放大的同事，也把噪音放大了，信號前面的噪音放大了以後也可能觸發比較器（接收電路應該用的比較器吧？），這樣就會出現錯亂的情況。如果你的電路的信噪比不夠（或者說感測器上進來的信號本身的信噪比就不高），放大是解決不了問題的；只能是提高發射能量，這樣接收信號變強，不用提高放大倍數。
就你說的4069，它是數字的，它的供電電壓決定了它的輸出能量，不知道你的電路裡面最高的電壓是多少，如果可以的話，用最高的電壓供電2個運放，將P1.0數字信號隔直，一路正向放大，一個反向放大，這樣能提高發射信號的強度。
多考慮考慮吧，辦法很多的。
⑧ 哪位高手幫我解釋一下超聲波測距中超聲波發射電路的工作原理。。。。謝謝
這是交反向器構成的超聲波發送電路，作用是將單片機產生的超聲波信號，通過這電路加倍反載入的超聲波發送頭上。其中U2A與U2B、U2C構成兩次反向，U2D、U2E為一次反向，通過兩次反向與一次反向後，載入到超聲波發送頭的電壓信號就可達到供電電壓值的兩位，這樣可提高載入到超聲波頭上的電壓，從面提高發射功率，達到提高測量距離的目的。U2B、U2C及U2D、U2E並聯後是這了提高驅動能力.
⑨ 超聲波探頭（發射頭、接收頭，做超聲測距實驗用的那種）的原理是什麼
一般都是壓電效應，給一個電壓信號，會輸出聲波，給一個聲波會輸出電信號。接收信號的幅度，近距離大，遠距離小。從幾百mV~幾個uV的都有可能。最好還是去看看最基本的一些原理。
⑩ 超聲波發射和接收頭是一樣的么.....
很多人，可能連部份製造者在內，都搞不明白超聲波的發射和接收頭之間是不一樣的。可能只知確不一樣，但為什麽，還是不知到。
有些只能說明印有T字代表發射頭，印有R字代表接收頭。那為什麽要區分呢？
說白了，不同的原因在於兩者功用相反。 所以看外形都一樣，但裡面略有不一樣。
以陶瓷超聲波頭為例 ：
發射頭 - 功用是把加在其兩電極上的電壓（電能），換成超聲波（機械能）。所以要做成高效的電能換機械能裝置。包括能耐高電壓下，陶瓷片可作強力震動，帶較大的錐形共振盤。以產生長期並強大震幅，至可長時間高量超聲波輸出，而不易衰老。（長期的強力震動下有機械老化問題，結果是換能效果越來越變差）。主參數是輸出聲壓水平。如120dB(0dB=0.02mPa)示。
接收頭 - 功用是把接受到的超聲波（機械能），換成由其兩電極上的電壓（電能）輸出。所以要做成高效的機械能換電能裝置。包括把陶瓷片做得特別易振, 帶阻抗匹配器。使其對微弱的超聲波特別靈敏，又可有高電壓輸出。主參數是靈敏度， 如 -63dB(0dB=10V/Pa)示。
總而言之，內部結構不一樣。
拆開它們，小心對比。 你可知我說的沒錯。