超声波传感器测距模块的总体

本设计系统总体结构框图如图3-1所示。

该系统总体方案设计框图如上，系统由控制系统、超声波发射、超声波回波信号的接收、温度补偿等几部分组成。

目前电子市场常见的超声波传感器是收发分体式，一般要求的频率是40kHz。如果需要更高频率的超声波探头，比如几百赫兹或者几兆赫兹的频率，就需要联系专业经营超声产品的厂商购买或者定制了。鉴于毕业设计的条件和设计精度的要求，本文选用的超声探头是40kHz超声波传感器T/R40—16。其特性参数图如表3-1所示。

发射电路通常有调谐式和非调谐式。在调谐式电路中有调谐线圈（有时装在超声波探头内），调谐频率有调谐电路的电感、电容决定。发射出的超声波脉冲频带较窄。在非调谐式电路中，没有调谐元件，发射出的超声波频率主要由压电晶片的固有参数决定，频带较宽。为了将一定频率、幅度的交流电压加到发射传感器的两端，使其振动发出超声，电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率40kHz，这样才能使其工作在谐振频率，达到最优的特性。而发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，有利于或波信号的进一步处理，也可以使接收电路的设计相对简单些。但是，每一个实际的发射传感器都有其工作电压的极限值，即当工作电压超过这个极限值后，会对传感器的内部造成不可恢复的损害。因此，超声波传感器的工作电压不能超过这个极限值。

虽然发射部分的点脉冲电压很高，但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压只有毫伏级，甚至是微伏级的。所以要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。超声波回波经过超声波接受传感器，经LM358第一级提供100倍的信号放大，经低通滤波后，经LM358开环应用的比较器后得到的40kHz的方波信号，把该信号输入到AT89C51单片机的INT0引脚以产生中断用于计时。

本设计中温度对超声波速度的影响也非常大，本文采用DS18B20温度传感器进行温度补偿。

提高测距精度的依据

本设计是采用单片机内部定时器来测量超声波从发射到返回的时间的，因此测量精度受单片机内部参考频率或者主频率的限制，本文采用12MHz晶振体，可以达到较好的分辨率[18]。

系统设计干扰问题及其解决方法  

本设计考虑的干扰问题主要有两个方面的内容，一是系统外界环境中高频噪声及电源等对信号产生的干扰，二是超声波发射传感器在谐振的时候带动空气振动，会直接传到距离很近的超声波接收传感器，即引起所谓的绕射现象，而且绕射的回波信号要比反射回来的回波信号要强，因此在这段时间内形成盲区。

对高频信号和电源干扰可以通过选择合适的元器件，加之滤波电路就可以消除干扰，对接收部分的信号放大处理也可以采用隔离抗干扰技术。这样的处理一般都可以很好的消除干扰。系统抗干扰措施必须从硬件和软件两方面着手。为了抑制外部干扰接收前置放大级采用专用的滤波芯片，有效抑制40kHz以外的频率。电路元器件选用低噪声器件，采用合理的布局，良好的印刷版电路走线，并注意进行屏蔽。

硬件电路设计说明

本文设计的超声波测距系统框图如图3-2所示。超声波测距系统主要有五部分：发射部分，接收部分，测温部分，单片机控制模块，显示部分。发射部分用来产生40kHz的超声波信号，接收部分用来监测回波信号，以便于停止计时。测温部分采用了DS18B20测量环境温度，用以温度补偿修正超声波的速度。显示部分用以测量结果显示。下面对每一部分做出具体说明。

本文通过对超声波在媒质中的传播特性和超声传感器的工作机理分析，设计了一种超声波传感器测距模块，并且在此基础上对超声波传播特性进行了探讨。

1、本文设计了一种小型的超声波传感器测距模块。

2、分析了影响超声波传感器测距模块精度的原因，其中主要是温度对超声波速度的影响，并且探讨了解决方案。即采用了温度补偿的方法来减小环境温度变化对系统产生的影响。

本文完成了超声波传感器模块测距的设计研究，在设计中采用了温度补偿校正的方法来减小系统的误差，并提高其精度。由于时间的限制，系统的精度没有做到很高，下一步可以进一步提高超声波传感器模块测距系统的精度。

超声波测距技术是一门交叉科学，它设计到声学、力学、材料科学等，每一门学科的新发现都会推动超声学的发展。新型传感器以及大功率驱动电源等技术的发展必将使超声的测距范围进一步扩大，超声测距技术将广泛应用于机器人或无人小车的定位系统、交通工具安全预警等方面。