科學(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率,，它的單位是赫茲,。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20～20000Hz。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20KHz或小于20Hz時(shí),，我們便聽不見了,。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”,。
1.超聲波測距原理
超聲波是指頻率高于20KHz 的機(jī)械波,。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波,，完成這種功能的裝置稱為超聲波傳感器,。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，有的也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用,。根據(jù)超聲波的產(chǎn)生方式,，超聲波傳感器可分為兩大類：一類是電氣式，如壓電式,、磁致伸縮式和電動(dòng)式等,；一類是機(jī)械式，如加爾統(tǒng)笛,、液哨等,。目前常用的是壓電式超聲波傳感器。它利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化,，即發(fā)射超聲波時(shí),，將電能轉(zhuǎn)換為超聲波發(fā)射出去；在收到回波時(shí),，將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號,。
超聲波測距的原理一般采用時(shí)間差法，即測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間,，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離,，即：
式中，D—傳感器與障礙物之間的距離,；c—聲波在介質(zhì)中的傳輸速度,。
由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好,、強(qiáng)度易控制,、與被測物體不需直接接觸，故超聲波傳感器廣泛地應(yīng)用于液體高度測量,、汽車倒車等方面,。為了提高測量精度,，減小誤差，根據(jù)公式（1）可知,，測距誤差由傳播速度誤差和傳播時(shí)間誤差引起。
當(dāng)傳播速度準(zhǔn)確時(shí),，傳播時(shí)間差值精度只要達(dá)到微秒級,，就可保證測距誤差小于1mm。設(shè)計(jì)中,，可采用12MHz 晶體作時(shí)鐘的基準(zhǔn),，單片機(jī)定時(shí)器的計(jì)數(shù)精度可達(dá)1us，從而保證測量精度,。
傳播速度受空氣密度的影響,，空氣密度越高，傳播速度越快,，而空氣密度與溫度有密切關(guān)系,。在理想氣體中聲波的傳播速度c 為：
式中，γ—氣體定壓比熱容與定容比熱容之比,；R—氣體常數(shù),；M—氣體分子量；T—絕對溫度,。
若溫度變化不大,，則可認(rèn)為聲速基本不變，其值為340m/s,。若測距精度要求較高,，為減小溫度變化對聲速產(chǎn)生的影響，在設(shè)計(jì)中,，應(yīng)增加溫度傳感器來監(jiān)測環(huán)境溫度,，進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償，近似公式為：
式中,，c0—零度時(shí)的聲波速度332m/s,； T—實(shí)際溫度（℃）。
2.測距報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
電路原理圖如圖1 所示,。采用PIC16F73 單片機(jī)作為主控制器,，實(shí)現(xiàn)對CX20106 紅外接收芯片（紅外常用的載波頻率38KHz 與測距超聲波頻率40KHz 較為接近） 和TCT40 系列超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)通過端口RB1 控制超聲波的發(fā)送,，然后單片機(jī)不停地檢測中斷端口RB0/INT,，當(dāng)端口RB0/INT 的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為超聲波已返回,。計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)據(jù)即為超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間,，通過換算可得到傳感器與障礙物之間的距離,。超聲信號的驅(qū)動(dòng)由單片機(jī)定時(shí)器完成，LED 數(shù)字顯示采用動(dòng)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn),，報(bào)警模塊采用簡單的聲光報(bào)警電路,。
圖1 測距報(bào)警系統(tǒng)電路原理圖
系統(tǒng)利用單片機(jī)的定時(shí)器功能產(chǎn)生40KHz 脈沖信號， 并通過端口RB1 輸出到超聲波發(fā)射部分,。超聲波發(fā)射電路中,， 六反相緩沖器CD4049 包括6個(gè)非門，現(xiàn)僅使用3 個(gè),，為防止干擾或被靜電擊穿導(dǎo)致整個(gè)CD4049 損壞,，把未使用的3 個(gè)非門串起來做接地處理。當(dāng)控制端輸出一系列固定頻率脈沖時(shí),，在超聲波發(fā)射器TCT40-1F 上就以固定的頻率加正電壓和反電壓,，從而發(fā)出大功率的超聲波。這種以軟件方式產(chǎn)生的波形較用其他方式產(chǎn)生的效果更理想,。
3位LED數(shù)碼顯示采用顯示器動(dòng)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn),。采用單片機(jī)串行口通過74HC164 串入并出移位寄存器來輸出LED 的段驅(qū)動(dòng)信號，每個(gè)LED 的段信號都連在一起,，并與74HC164 輸出的段驅(qū)動(dòng)信號連接,。每個(gè)LED 的位驅(qū)動(dòng)信號由單片機(jī)的端口RB5~RB7 通過ULN2004 驅(qū)動(dòng)集成塊分別驅(qū)動(dòng)，LED 需用共陰數(shù)碼管,。
報(bào)警模塊的功能是,， 當(dāng)傳感器與障礙物的距離不小于設(shè)定值時(shí)，綠色指示燈閃亮,；反之,，紅色指示燈閃亮，蜂鳴器發(fā)聲,，提示人員注意安全距離,。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
軟件分為兩部分：主程序和中斷服務(wù)程序，流程圖如圖2 所示,。主程序完成初始化工作及超聲波發(fā)射和接收控制,。中斷服務(wù)程序包括定時(shí)中斷服務(wù)子程序和外部中斷服務(wù)子程序，分別完成超聲波的發(fā)射,、距離計(jì)算及顯示報(bào)警等工作,。
圖2 測距報(bào)警系統(tǒng)程序流程圖
3.測試結(jié)果
當(dāng)距離大于2m 時(shí)，綠燈閃亮,，顯示距離,；當(dāng)距離小于1m 時(shí)，紅燈閃亮,，由端口RB2 驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警,，顯示距離,；當(dāng)距離介于2m 和1m之間時(shí)，紅燈閃亮,，顯示距離,。為提高抗干擾能力，系統(tǒng)連續(xù)發(fā)射超聲波,，測量三次,，從中剔除最大最小值，取中間值計(jì)算出距離,。
4.結(jié)語
此系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了測距及報(bào)警功能，可用于汽車倒車,、液位監(jiān)控等場合,，而且測量簡單、經(jīng)濟(jì),、可靠,。