① 超声波测距离
一种用于汽车倒车避撞的超声波无线距离测量系统
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：本文介绍一种用于汽车倒车避撞的超声波无线距离测量系统。系统由下位机与上位机两部分组成，下位机主要由超声波发射电路、超声波接收电路、无线收发模块及单片机组成，上位机由单片机、无线收发模块、显示电路等组成，下位机与上位机之间通过无线收发模块传输信息。文中分析了超声波测距电路的设计方法，叙述了采用无线通信技术实现数据远程传输的设计思路。该系统测量距离方便、灵活、稳定。
关键词：无线通信；单片机；超声波；距离测量；温度补偿
1. 引言
随着经济的发展，人们的生活水平越来越高。当今，对许多人来说，汽车进入家庭已不再是奢望，但随之而来的事情就是如何保证汽车使用过程中的安全问题，特别是如何防止汽车与其他物体碰撞的事情发生。据初步调查统计，l5%的汽车事故是由汽车倒车“后视”不良造成的。因此，增强汽车的后视能力，对于提高行车安全，减轻司机的劳动强度和心理压力，是十分重要的。如果车辆能适时检测与周围障碍物的距离并给出警告信息，使司机及早采取行动，可避免车辆相撞事故的发生。
随着科学技术的发展，用超声波进行无接触测量得到了广泛的应用。超声波是由机械振动产生的,可在不同介质中以不同的速度传播，它具有定向性好、能量集中、在传输过程中衰减较小，反射能力较强，在恶劣工作环境下具有一定的适应能力等优点。因此可用于液位测量、车辆自动导航[2]等领域。本文介绍一种基于无线数据传输方式的超声波车辆倒车避撞预警系统。
2. 超声波测距原理
发射的超声波遇到障碍物时就会发生反射，反射波可由接收器接收，这样只要测出超声波从发送点到反射回来的时间间隔Δt，然后根据公式（1）即可求出超生波从发射处到障碍物之间的距离。
S=CΔt/2 （1）
式中：S—超生波发射处与障碍物间的距离
C—超声波在介质中的传播速度
由于超声波是一种声波，其声速C受环境温度的影响，关系如式（2），因此使用超生波测量距离时应该采用温度补偿的方法对式（1）中的声速值加以校正。
C=331.4+ 0.61×T （2）
式中：T—环境温度
3. 硬件电路设计
如图1，硬件电路主要由单片机、超声波传感器、温度测量电路、无线收发模块等组成。
系统中单片机均采用ATMEL公司的AT89S51作为核心控制芯片，它与MCS-51的指令和引脚兼容[1]，并且具有ISP在线编程功能，便于系统的设计和调试。
超声波传感器是超声波测距电路中的重要元件,其性能优劣直接影响到测距准确度和可靠性。通常超声波传感器有两类:一类是发射电路和接收电路互相独立的分体式超声波传感器,此类传感器测距有效范围比较大,但不具备防尘、防水性能。另一类是同时具有发射与接收功能的收发一体式超声波传感器，此类超声波测距有效范围比较小,但防尘、防水性能好。该系统选择分体式超声波传感器。
考虑到超声波具有指向性，本系统在汽车尾部左、右两个部位各安装一个超声波传
感器，适当调整安装位置，可准确测量汽
车后部障碍物。
如图1所示，下位机的P1.1、P1.2引脚分别用于控制两路超声波发射，INT0，INT1分别用于两路超声波信号检测，P1.3用于温度检测，串口RXD、TXD分别连接无线收发模块A的输入、输出端。同样，上位机串口RXD、TXD分别连接无线收发模块B的输入、输出端，当接收到下位机发送的测量数据时，下位机进行处理，然后显示测量结果，当车辆离障碍物的距离超过安全警戒线时发出报警信号。
实际安装时，该系统的下位机部分安装在汽车的尾部，上位机部分安装于驾驶室内。
3.1 超声波发射电路
超声波发射电路由超声波换能器（或称超声波振头）和超声波发生器两部分组成，电路如图2所示。系统中，超声波换能器的型号为CSB40T，它将超声波发生器提供的电信号转换为机械振动并发射出去。40KHz的超声波信号是利用NE555时基电路振荡产生的，振荡频率f ≈1.44/((R22+2×R23)×C21)，通过R23调节信号频率，使之与换能器的40KHz固有频率一致。工作时，下位机通过P1.1口定时向超声波发生电路发出控制信号，超声波发生电路产生40KHz的调制脉冲，经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。
3.2 超声波接收电路
超声波接收电路采用了集成电路CX20106A，CX20106A是日本索尼公司生产的红外遥控信号接收集成电路，它由前置放大、自动偏压控制、振幅放大、峰值检波和整形电路组成。该集成电路红外发射的频率38KHZ，超声波换能器的固有频率是40KHz，适当设计CX20106A外围电路参数,就可以将其用于超声波的接收放大电路，如图3所示，引脚1为CX20106A信号输入端，引脚2为CX20106A的RC网络连接端，引脚3为CX20106A检波电容连接端，
引脚4为CX20106A的接地端，引脚5为CX20106A带通滤波器中心设置端，引脚6为CX20106A积分电容连接端，引脚7为CX20106A信号输出端，引脚8为CX20106A供电电源端。
工作时，换能器CSB40T将所接收到的微弱声波振动信号转化成为电信号，送给CX20106A的输入端1，当CX20106A接收到信号时，7脚就会输出一个低电平，可用于下位机的中断信号源。当下位机接收到中断信号时，说明检测到了反射回来的超声波，下位机就进入中断状态，开始距离计算，并将计算结果发送给上位机。
3.3温度检测电路
温度检测电路采用DALLS公司的1-WIRE式总线器件DS18B20数字温度传感器，电路连接非常简单，但是必须保证时序与单片机严格同步。DS18B20具有9，10，11，和12位转换精度，未编程时默认精度为12位，测量精度一般为0.5℃，软件处理后可达0.1℃。温度输出以16位符号扩展的二进制数形式提供，低位在先，以0.0625℃/ LSB形式表达，高五位为扩展符号位。转换周期与转换精度设定有关，9位精度时，最大转换时间为93.75ms；12位精度时，最大转化时间为750ms。在本系统中采用默认的12位精度。关于DS18B20的使用方法可参考有关书籍。
3．4 数据无线收发模块
为避免在车内铺设电缆，系统的上位机部分与下位机部分采用无线的方式进行通信。
无线通信模块采用PTR2000，它是收发一体的工作在国际通用数传频段433MHz的无线通信模块，最高传输速率可以达到20Kbit/s，功耗低，待机状态下仅为8μA，可以直接与单片机的串口连接使用。PTR2000的引脚定义如下：TXE是发送控制端；PWR是节能控制端；DI是数据输入端；DO是数据输出端；CS是频道选择端。
硬件连接时，由单片机3个通用I/O口分别控制TXE、PWR、CS，单片机的串口与DI，DO连接。TXE为1时，为发送状态，TXE为0时，为接收状态。状态转换需要5毫秒。PWR为0时，为节电待机状态，此时模块无法进行接收或者发送。
无线通信具有无需布线、便于安装、灵活性强等诸多优点，但是数据在传输过程中难以避免的会产生误码，而且产生误码的几率要远远大于有线网络，并且误码的产生与多方面的因素有关，因此有很大的不确定性。所以必须采用一种差错控制机制，该系统采用停止等待协议来实现差错控制。此外，还采用校验机制以确定何时需要重传，CRC校验码的检错能力很强，它除了能检查出离散传输错误外，还能检查出突发传输错误。考虑到硬件和传输的开销问题，使用CRC16校验码。
PTR2000灵敏性很高，在无载波的情况下在接收端会产生随机的数据，因此需制定传输协议，格式如表1所示。通信协议中，必须在有效数据前加上两个或多个固定的前导字符作为同步信号，使得接收端能够辨别出有效数据的开始。
前导字符采用0xAA、0xAA、0xFF、0x00共4字节，其中前两个字节为同步信号，后两个字节为帧开始标志，接收端只要能够接收到0xAA、0xAA、0xFF与0x00，就可以认为新的一帧开始了。帧类型分为数据帧、有序数据帧、控制命令帧、确认帧等多种帧类型。帧编号为可选项，与帧类型相关，只有帧类型是有序数据帧时才有效。校验为2字节CRC16校验码。帧结束标志：为0x00。
4.软件设计
4.1下位机程序设计
下位机程序主要由数据通信程序、距离计算程序、温度补偿程序等组成。
距离计算程序流程图如图4所示。
温度补偿通常有两种方法：一种方法是每次按照公式C=331.4+ 0.61×T计算当前声速C，进行温度补偿。其特点是：根据当时的温度得到精确声速，从而计算得到的距离值也比较精确，但程序中牵涉到浮点数运算，由微处理器系统实现，难度较大。另一种方法是将温度与声速的对应关系列成温度---声速二维表，固化到系统中。温度补偿时，根据温度---声速表，查取最接近当前温度的那个温度所对应的声速值，此声速值即作为当前声速。其特点是：避开了复杂的浮点运算和浮点运算后各字节的提取操作，这样既保证了一定的精度要求，又可以避免浮点运算。因此本系统采用方法二进行温度补偿。程序流程图略。
4．2 上位机主程序设计
上位机与下位机通信时，上位机按照通信协议格式将开始测量命令发送给下位机，下位机接收到命令后就开始测量汽车离障碍物的距离，然后将测量结果发送给上位机，上位机先判断前导字符来确定是否为有效数据，若是有效数据，则解开封包进行相应操作，否则丢弃该数据包，上位机再按照同样的方式继续发命令、接收数据，直到接收到正确的数据为止。程序流程图如图5所示。
5 结束语
通过对系统硬件电路和软件的合理设计，本系统能在-20℃到50℃之间正常工作，三位数码管以厘米为单位显示距离，能准确判断距离汽车1.5米内的物体并及时报警，提高了汽车倒车的安全性。本文的创新点是在汽车防撞系统中采用了数据无线通信策略，减少了车内布线。
参考文献：
[1]MCS-51系列单片机应用系统设计，何立民，北京航空航天大学出版社，1990年.
[2]高准确度超声波测距仪的研制，赵珂，向瑛等，传感器技术,2003年第2期.
[3]无线通信在嵌入式系统中的应用，曹玲芝，石军等，微计算机信息，2005年第11期
作者简介：
曹玲芝，女，1965年生，硕士，副教授，主要从事远程测控技术研究。
联系方式：郑州轻工业学院电气信息工程学院办公室 邮编 450002
Email: [email protected]
任亚萍，女，1973年生,硕士生,主要从事计算机技术研究.
② 使用超声波进行距离测量，最远可以测量多远
超声波测距，基本原理是：超声波发射头发射超声波，超声波遇到被测物后返回，被超声波发射头旁边的感应器感知，设经过的时间为t，又知声音在空气中的速度为v，这样距离便是超声波传播距离的一半，即v*t/2。
能测多远与 超声波发射头功率，被测物表面状况、感应器灵敏度有关。
精度与硬件品质、软件算法、被测物反射面与超声波探头的角度 有关！
③ 超声波测距电路的种类
1.使用超声波发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。
接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，输出由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。
2.集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。
3.通过单片机的输入捕捉功能,如用PIC16F87单片机,将输入的超声波信号放大整形后经过单片机分析频率,处理得出是否接收到了声波.
由于超声波波速与温度有关,因此电路最好带上测温电路,由温度算出波速再测距。
④ 超声波测距仪原理图
超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波，它的根据是接收器接到超声波时的时间差，与雷达测距原理相似。 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
（超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t（秒），就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2）
超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移 动机器人的研制上也得到了广泛的应用。
为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。本文所介绍的三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一 类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生 的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。较为常用的是压电式超声波发生器。
⑤ 超声波测距原理不懂
超声波测距就是你发出去一个你定义好的波形，比如说是ababababab，你发出去后开始计时，他沿着超声波发射器垂直发射，遇到一个障碍物，这个波就被反射回来了，当你的接收器收到这个波形，abababab，计算他们之间的时间差，在乘以声波在该温度下的速度，就是距离，不过这个是去回两段的，再除以2 就是你与障碍物之间的距离了，要精准的话还要加一个温度传感器，采集温度，来对应该温度的传播速度。希望对你有帮助
⑥ 超声波发射探头与接收头可以通用吗单探头的超声波测距电路时用哪个型号的探头呢
压电式的可以，机械式的不可以。
压电式超声波发生器实际是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有震荡频率时，压电镜片就会发生共振，并带动共振板震动，便产生超声波，反之，如两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，共振板将压迫晶片震动将机械能转换为电信号。这时她就成为超声波接收器了。
⑦ 超声波测距的发射器
如果放大倍数增大时会出现错乱的情况，那应该是的信号的信噪比不够，即你将信号放大的同事，也把噪音放大了，信号前面的噪音放大了以后也可能触发比较器（接收电路应该用的比较器吧？），这样就会出现错乱的情况。如果你的电路的信噪比不够（或者说传感器上进来的信号本身的信噪比就不高），放大是解决不了问题的；只能是提高发射能量，这样接收信号变强，不用提高放大倍数。
就你说的4069，它是数字的，它的供电电压决定了它的输出能量，不知道你的电路里面最高的电压是多少，如果可以的话，用最高的电压供电2个运放，将P1.0数字信号隔直，一路正向放大，一个反向放大，这样能提高发射信号的强度。
多考虑考虑吧，办法很多的。
⑧ 哪位高手帮我解释一下超声波测距中超声波发射电路的工作原理。。。。谢谢
这是交反向器构成的超声波发送电路，作用是将单片机产生的超声波信号，通过这电路加倍反加载的超声波发送头上。其中U2A与U2B、U2C构成两次反向，U2D、U2E为一次反向，通过两次反向与一次反向后，加载到超声波发送头的电压信号就可达到供电电压值的两位，这样可提高加载到超声波头上的电压，从面提高发射功率，达到提高测量距离的目的。U2B、U2C及U2D、U2E并联后是这了提高驱动能力.
⑨ 超声波探头（发射头、接收头，做超声测距实验用的那种）的原理是什么
一般都是压电效应，给一个电压信号，会输出声波，给一个声波会输出电信号。接收信号的幅度，近距离大，远距离小。从几百mV~几个uV的都有可能。最好还是去看看最基本的一些原理。
⑩ 超声波发射和接收头是一样的么.....
很多人，可能连部份制造者在内，都搞不明白超声波的发射和接收头之间是不一样的。可能只知确不一样，但为什麽，还是不知到。
有些只能说明印有T字代表发射头，印有R字代表接收头。那为什麽要区分呢？
说白了，不同的原因在于两者功用相反。 所以看外形都一样，但里面略有不一样。
以陶瓷超声波头为例 ：
发射头 - 功用是把加在其两电极上的电压（电能），换成超声波（机械能）。所以要做成高效的电能换机械能装置。包括能耐高电压下，陶瓷片可作强力震动，带较大的锥形共振盤。以产生长期并强大震幅，至可长时间高量超声波输出，而不易衰老。（长期的强力震动下有机械老化问题，结果是换能效果越来越变差）。主参数是输出声压水平。如120dB(0dB=0.02mPa)示。
接收头 - 功用是把接受到的超声波（机械能），换成由其两电极上的电压（电能）输出。所以要做成高效的机械能换电能装置。包括把陶瓷片做得特别易振, 带阻抗匹配器。使其对微弱的超声波特别灵敏，又可有高电压输出。主参数是灵敏度， 如 -63dB(0dB=10V/Pa)示。
总而言之，内部结构不一样。
拆开它们，小心对比。 你可知我说的没错。