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(hào)。
　　
　　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(jí)，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—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(duì)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(duì)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(hào)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。　　系統(tǒng)利用單片機(jī)的定時(shí)器功能產(chǎn)生40KHz脈沖信號(hào)，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(hào)，每個(gè)LED的段信號(hào)都連在一起，并與74HC164輸出的段驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接。每個(gè)LED的位驅(qū)動(dòng)信號(hào)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。　　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*力，系統(tǒng)連續(xù)發(fā)射超聲波，測量三次，從中剔除zui大zui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。