由於超聲波指向性強，能量消耗緩慢，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，因此在移動機械人的研製上也得到了廣泛的應用。
為了使移動機械人能自動避障行走，就必須裝備測距系統，以使其及時獲取距障礙物的距離資訊（距離和方向）。本文所介紹的三方向（前、左、右）超聲波測距系統，就是為機械人了解其前方、左側和右側的環境而提供乙個運動距離資訊。
一、 超聲波測距原理
1、 超聲波發生器
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。目前較為常用的是壓電式超聲波發生器。
2、壓電式超聲波發生器原理
壓電式超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發生器內部結構如圖1所示，它有兩個壓電晶元和乙個共振板。當它的兩極外加脈衝訊號，其頻率等於壓電晶元的固有振盪頻率時，壓電晶元將會發生共振，並帶動共振板振動，便產生超聲波。
反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶元作振動，將機械能轉換為電訊號，這時它就成為超聲波接收器了。
3、超聲波測距原理
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，就可以計算出發射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2，這就是所謂的時間差測距法。
圖1 超聲波感測器結構
二、 超聲波測距系統的電路設計
本系統的特點是利用微控制器控制超聲波的發射和對超聲波自發射至接收往返時間的計時，微控制器選用8751，經濟易用，且片內有4k的rom，便於程式設計。電路原理圖如圖2所示。其中只畫出前方測距電路的接線圖，左側和右側測距電路與前方測距電路相同，故省略之。
1、40khz 脈衝的產生與超聲波發射
測距系統中的超聲波感測器採用ucm40的壓電陶瓷感測器，它的工作電壓是40khz的脈衝訊號，這由微控制器執行下面程式來產生。
puzel： mov 14h, #12h；超聲波發射持續200ms
here： cpl p1.0 ；輸出40khz方波
nop ；
nop ；
nop ；
djnz 14h，here；
ret前方測距電路的輸入端接微控制器p1.0埠，微控制器執行上面的程式後，在p1.0 埠輸出一?
0khz的脈衝訊號，經過三極體t放大，驅動超聲波發射頭ucm40t，發出40khz的脈衝超聲波，且持續發射200ms。右側和左側測距電路的輸入端分別接p1.1和p1.
2埠，工作原理與前方測距電路相同。
2、超聲波的接收與處理
接收頭採用與發射頭配對的ucm40r，將超聲波調製脈衝變為交變電壓訊號，經運算放大器ic1a和ic1b兩極放大後加至ic2。ic2是帶有鎖定環的音訊解碼整合塊lm567，內部的壓控振盪器的中心頻率f0=1/1.1r8c3，電容c4決定其鎖定頻寬。
調節r8在發射的載頻上，則lm567輸入訊號大於25mv，輸出端8腳由高電平躍變為低電平，作為中斷請求訊號，送至微控制器處理。
前方測距電路的輸出端接微控制器int0埠，中斷優先順序最高，左、右測距電路的輸出通過與門ic3a的輸出接微控制器int1埠，同時微控制器p1.3和p1.4接到ic3a的輸入端，中斷源的識別由程式查詢來處理，中斷優先順序為先右後左。
部分源程式如下：
receive1：push psw
push acc
clr ex1 ；關外部中斷1
jnb p1.1, right ；p1.1引腳為0,轉至右測距電路中斷服務程式
jnb p1.2, left ；p1.2引腳為0,轉至左測距電路中斷服務程式
return：setb ex1；開外部中斷1
pop? acc
pop? psw
reti
right： ...? ；右測距電路中斷服務程式入口
? ajmp? return
left：... ；左測距電路中斷服務程式入口
? ajmp? return
3、計算超聲波傳播時間
在啟動發射電路的同時啟動微控制器內部的定時器t0，利用定時器的計數功能記錄超聲波發射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產生乙個負跳變，在int0或int1端產生乙個中斷請求訊號，微控制器響應外部中斷請求，執行外部中斷服務子程式，讀取時間差，計算距離。其部分源程式如下：
receive0：push psw
push acc
clr ex0 ；關外部中斷0
? mov r7, th0 ；讀取時間值
mov r6, tl0?
clr c
mov a, r6
subb a, #0bbh；計算時間差
mov 31h, a ；儲存結果
mov a, r7
subb a, #3ch
mov 30h, a?
setb ex0 ；開外部中斷0
pop acc
pop psw
reti
三、超聲波測距系統的軟體設計
軟體分為兩部分，主程式和中斷服務程式，如圖3（a）（b）(c) 所示。主程式完成初始化工作、各路超聲波發射和接收順序的控制。
定時中斷服務子程式完成三方向超聲波的輪流發射，外部中斷服務子程式主要完成時間值的讀取、距離計算、結果的輸出等工作。
四、結論
對所要求測量範圍30cm~200cm內的平面物體做了多次測量發現，其最大誤差為0.5cm，且重複性好。可見基於微控制器設計的超聲波測距系統具有硬體結構簡單、工作可靠、測量誤差小等特點。
因此，它不僅可用於移動機械人，還可用在其它檢測系統中。
超聲波測距外文翻譯
摘要 本演示處理了測量距離的超聲波感測器在當前環境中的準確性。作為乙個測量感測器的選擇sfr08型配備了允許定址的ic通訊介面。這一事實使得建立感測器陣列變得簡單。控制和視覺化系統是基於pc。ni usb 8451是作為通訊卡使用的。驗證測量的目標是確定實際的感測器精度，特別是當測量較長的距離。當評...
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第1章緒論 機械人 robot 是自動執行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以執行預先編排的程式，也可以根據以人工智慧技術制定的原則綱領行動。它的任務是協助或取代人類工作的工作，例如生產業 建築業，或是危險的工作。科學的進步與技術的創新,為機械人的研究與應用開闢了廣闊的思路與空間。自從二十世...
超聲波測距模組總結報告
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