人们可以听到的声音的频率为20Hz~20KHz，也便是可听声波，超出此频率范围的声音，20Hz以下的声音称为低频声波，20KHz以上的声音称为超声波（Ultrasound），一样平常说话的频率范围是10Hz-8KHz。超声波方向性好，穿透能力强，易于得到较集中的声能，在水中传播间隔远，超声波因其频率下限大约即是人的听觉上限而得名。
超声波频率分布
超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速率不同。超声波在介质中传播的波形取决于介质可以承受何种浸染力以及如何对介质引发超声波。
常日有如下三种:
（1）纵波波型
当介质中质点振动方向与超声波的传播方向同等时，此超声波为纵波波型。任何固体介质当其体积发生交替变革时均能产生纵波。在工业中运用紧张采取纵向振荡。
（2）横波波型
当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时，此种超声波为横波波型。由于固体介质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形，因此，当其有剪切力交替浸染于固体介质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。
（3）表面波波型
是沿着固体表面传播的具有纵波和横波的双重性子的波。表面波可以算作是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成, 振动质点的轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快衰减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。
其余，超声波也有折射和反射征象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，，一样平常为几十KHz，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。
利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声丈量仪器及装置，可用于测距、测速、洗濯、焊接、碎石、杀菌消毒等，并在通讯、医疗、家电、军事、工业、农业等各方面得到广泛运用。
能够产生超声波的方法很多，常用的有压电效应方法、磁致伸缩效应方法、静电效应方法和电磁效应方法等。当给压电晶片两极施加一个电压短脉冲时, 由于逆压电效应，晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡。振荡频率与晶片的厚度和声速有关, 适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹性波, 即超声波。此种办法发射出的是一个超声波波包，常日称为脉冲波。
超声波测距
超声波测距系统紧张运用于汽车的倒车雷达、及机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。
目前有两种常用的超声波测距方案。一种是基于单片机或者嵌入式设备的超声波测距系统，一种是基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)的超声波测距系统。
如图1所示，实验采取第一种方案，利用嵌入式设备编程产生频率为40KHz的方波，经由发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波经发射物反射回来，由传感器吸收端吸收，再经由吸收电路放大、整形。以嵌入衰落核心的超声波测距系统通过嵌入式设备记录超声波发射的韶光和反射波的韶光。当收到超声波的反射波时，吸收电路输出端产生一个跳变。通过定时器计数，打算韶光差，就可以打算出相应的间隔。
图1 超声波测距事理
超声波测距的事理是利用超声波在空气中的传播速率为已知，丈量声波在发射后碰着障碍物反射回来的韶光，根据发射和吸收的韶光差打算出发射点到障碍物的实际间隔。首先，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时候的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波吸收器收到反射波就立即停滞计时。超声波在空气中的传播速率为C=340m/s，根据计时器记录的韶光T秒，就可以打算出发射点距障碍物的间隔L，即：L= C×T /2 。这便是所谓的韶光差测距法。
由于超声波也是一种声波，其声速 C 与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声速。在利用时，如果温度变革不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度哀求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。
表1 超声波波速与温度的关系
由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易掌握、与被丈量物体不须要直接打仗的优点，是作为倒车间隔丈量的空想选择。
超声波传感器
超声波为直线传播，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的这种性子就可以制成超声波传感器。其余，超声波在空气中的传播速率较慢，这就使得超声波传感器的利用变得大略。
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机器波，由换能晶片在电压的勉励下发生振动产生的，它具有频率高、波是非、绕射征象小，特殊是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛运用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和吸收超声波。完成这种功能的装置便是超声波传感器，习气上称为超声换能器，或者超声探头。
超声波传感器紧张由双压电晶片振子、圆锥共振板和电极等部分构成。两电极间加上一定的电压时压电晶片就会被压缩产生机器形变，撤去电压后压电晶片恢复原状。若在两极间按照一定的频率加上电压，则压电晶片也会保持一定的频率振动。经试验测得此型号压电晶片的固有频率为38.4 KHz，则在两极外加频率为40 KHz的方波脉冲旗子暗记，此时压电晶片产生共振，向外发射出超声波。同理，没有外加脉冲旗子暗记的超声波传感器在共振板吸收到超声波时也会产生共振，在两极间产生电旗子暗记。
超声波探头紧张由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以吸收超声波。小功率超声探头多作探测浸染。它有许多不同的构造，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头吸收）等。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们利用前必须预先理解它的性能。超声波传感器的紧张性能指标，包括：
(1) 事情频率。
事情频率便是压电晶片的共振频率。当加到它两端的互换电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
(2) 事情温度。
由于压电材料的居里点一样平常比较高，特殊时诊断用超声波探头利用功率较小，以是事情温度比较低，可以永劫光地事情而不产生失落效。医疗用的超声探头的温度比较高，须要单独的制冷设备。
(3) 灵敏度。
紧张取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
超声波测距一体模块HC-SR04
（1）模块性能
如图2所示，HC-SR04模块性能稳定，测度间隔精确，能和国外的SRF05、SRF02等超声波测距模块相媲美。模块高精度，盲区(2cm)超近，最大识别间隔为300cm。
图2 HC-SR04模块实物图
如图3所示，系统的事情是由软件和硬件的合营过程。先由嵌入衰落处理器使555使能端置1，继而555送出40KHz频率的方波旗子暗记，经由压电换能器（超声波发射头）将旗子暗记发射出去，即发射超声波，同时该时候启动定时器开时计时。该旗子暗记碰着障碍物反射回来在此称为回波。同时，压电换能器（超声波吸收头）将吸收的回波及吸收超声波,通过旗子暗记处理的检波放大，通过三级放大后再送到比较器进行比较，输出比较电压，输出电压经由三极管往后，使之电压与嵌入衰落处理器的I/O口相匹配末了送至处理器处理。
图3 超声波测距事理框图
（2）产品运用领域
机器人避障、物体测距、液位检测、公共安防、停车场检测。
（3）紧张技能参数
（4）接线办法及事情事理
接线办法：VCC、trig(掌握端)、 echo(吸收端)、 GND。
如图4所示，超声波传感器基本事情事理如下：
采取IO口TRIG触发测距，给大于10us的高电平旗子暗记；
模块自动发送8个40KHz的方波,自动检测是否有旗子暗记返回；
有旗子暗记返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的韶光便是超声波从发射到返回的韶光。测试间隔=(高电平时间声速(340m/s))/2。
图4 传感器的方向图
（5）掌握办法
本模块利用方法大略，通过嵌入衰落处理器掌握口发一个10us以上的高电平，启动超声波传感器模块发出8个40KHz的周期电平。然后开启定时器，再延时100us旁边以避免发射探头的余振的滋扰。接着通过在while循环中查询外部中断是不是已经捕获到回波旗子暗记，一旦检测到有回波旗子暗记则输出回响旗子暗记。回响旗子暗记的脉冲宽度与所测的间隔成正比。由此通过发射旗子暗记到吸收到的回响旗子暗记的韶光间隔就可以打算得到间隔。
如图5 所示为超声测距模块的时序图，根据时序图，可以知道，回响旗子暗记的高电平便是我们用来丈量间隔的主要指标，通过间隔与速率和韶光的关系，从而求得相应的间隔。
图5 超声测距时序图
一个 10us 以上脉冲触发旗子暗记，该模块内部将发出 8次40KHz 周期电平并检测回波。一旦检测到有回波旗子暗记则输出回响旗子暗记，回响旗子暗记的脉冲宽度与所测的间隔成正比。由此通过发射旗子暗记到收到的回响旗子暗记的韶光间隔可以打算得到间隔。建议丈量周期为 60ms 以上，以防止发射旗子暗记对回响旗子暗记的影响。
图6 出了超声测距模块的发射端电路。
图7 超声测距发射端电路图
压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来事情的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲旗子暗记，其频率即是压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它便是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板吸收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机器能转换为电旗子暗记，这时它就成为超声波吸收换能器。超声波发射换能器与吸收换能器在构造上稍有不同，利用时应分清器件上的标志。
图8 给出了超声测距模块的吸收端电路。
集成电路CX20106是一款红外线检波吸收的专用芯片，常用于电视机红外遥控吸收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距的超声波频率40KHz较为靠近，可以利用它制作超声波检测吸收电路。实验证明用CX20106吸收超声波(无旗子暗记时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗滋扰能力。适当变动电容C4的大小，可以改变吸收电路的灵敏度和抗滋扰能力。
图8 超声波吸收电路
图9 给出了超声测距模块的电路。
图10 超声波收发电路
超声波测距模块的影响成分
超声波传感器运用起来事理大略，也很方便，本钱也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺陷，比如，反射问题，噪音，交叉问题。
1. 反射问题
如果被探测物体始终在得当的角度，那超声波传感器将会得到精确的角度。但是不幸的是，在实际利用中，很少被探测物体是能被精确的检测的。 个中可能会涌现几种偏差：
1)三角偏差
当被测物体与传感器成一定角度的时候，所探测的间隔和实际间隔有个三角偏差。
2)镜面反射
这个问题和高中物理中所学的光的反射是一样的。在特定的角度下，发出的声波被光滑的物体镜面反射出去，因此无法产生回波，也就无法产生间隔读数。这时超声波传感器会忽略这个物体的存在。
3)多次反射
这种征象在探测墙角或者类似构造的物体时比较常见。声波经由多次反弹才被传感器吸收到，因此实际的探测值并不是真实的间隔值。
这些问题可以通过利用多个按照一定角度排列的超声波圈来办理。通过探测多个超声波的返回值，用来筛选出精确的读数。
(2) 噪音
虽然多数超声波传感器的事情频率为40-45KHz，远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音。比如，电机在迁徙改变过程会产生一定的高频，轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音，机器人本身的抖动，乃至当有多个机器人的时候，其它机器人超声波传感器发出的声波，这些都会引起传感器吸收到缺点的旗子暗记。
这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来办理，比如发射一组是非不同的音波，只有当探测头检测到相同组合的音波的时候，才进行间隔打算。这样可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读。
(3)交叉问题
交叉问题是当多个超声波传感器按照一定角度被安装在机器人上的时候所引起的。超声波X发出的声波，经由镜面反射，被传感器Z和Y得到，这时Z和Y会根据这个旗子暗记来打算间隔值，从而无法得到精确的丈量。
办理的方法可以通过对每个传感器发出的旗子暗记进行编码。让每个超声波传感器只听自己的声音。
实验事理
超声测距传感器实验环境由PC机（安装有Windows XP操作系统、ADS1.2集成开拓环境和J-Link-ARM-V410i仿真器）、J-Link-ARM仿真器、NXP LPC2378实验节点板、超声测距传感器、实验模块和LCD显示实验模块组成，如图11所示。
图11 传感器实验环境
本实验所利用实物规格图如图12所示，实物图如图13所示。
图12超声测距模块实物规格图
图 13
将超声波传感模块安装到开拓板上，然后用JLINK仿真器的一端用USB接口与电脑相连，一真个20Pin的JTAG引脚与NXP LPC2378节点板的J2相连，并给NXP LPC2378节点板上电，如图14 所示。
图14 超声测距开拓板连接图
间隔丈量
本实验，通过测距程序完成超声波发射的掌握、超声波回波旗子暗记的检测和间隔的打算、旁边间隔的比较，并显示。
首先由发射程序发射10us的高电平触发旗子暗记，掌握超声波发射器发射8个40KHz的方波。发射器发射完旗子暗记，吸收器回波电平将拉高。然后开启定时器，例如在定时器输入频率为f=12MHz，进行N=8分频后每个计数周期为 。再延时100us旁边以避免发射探头的余振的滋扰，然后通过在while循环中查询外部中断是不是已经捕获到回波旗子暗记，然后得到计时器计数值count，打算间隔值。去掉多余的计数偏差后 。
打开工程Distance，修正Main.c中的内容如下。
/头文件及定义/
#include \"大众LPC23xx.h\"大众
#include \"大众Lcd.h\"大众
#include \"大众config.h\"大众
void delay(uint32 dly)
{
uint32 i;
for(; dly>0; dly--)
for(i=0; i<1000; i++); // 约为100us
}void delay10us(uint32 dly)
{
uint32 i;
for(; dly>0; dly--)
for(i=0; i<160; i++); // 约为10us
}void ClearRect(int index)
{
switch(index)
{
case 1:
drawrect(0,12,128,16,0x2345);
break;
case 2:
drawrect(0,40,128,48,0x2345);
break;
case 3:
drawrect(0,100,128,48,0x2345);
break;
default:
break;
}
}
void LCD_Frame()
{
//屏幕初始显示
drawrect(0,0,128,12,0x0000);
drawrect(0,12,128,16,0x2345);
drawrect(0,28,128,12,0x0000);
drawrect(0,40,128,48,0x2345);
drawrect(0,88,128,12,0x0000);
drawrect(0,100,128,48,0x2345);
drawrect(0,148,128,12,0x0000);
}
int main()
{
int idx;
int xpos,ypos;
long count,distance;
char sndBuf[20];
//通讯板IO掌握引脚设置
IO1DIR &=~(1<<16); //IOZ/A 输入--吸收开关状态旗子暗记
delay(10);
//P3.0~P3.7定义为IO引脚
PINSEL6 &= 0x0000;
//定义P3.1为输入，P3.3为输出
FIO3DIR0 = 0;
FIO3DIR0 |= 1<<3;
//设置LCD屏幕引脚
PINSEL3=PINSEL3 & 0x00000000;
IO1DIR=IO1DIR|0x05700000;
//屏幕初始化
RESET0;//复位
delay(50);
RESET1;
delay(100);
lcd_init();
delay(20);
LCD_Frame();
DispAscStr(0,12,\"大众 \"大众,2,&xpos,&ypos);
DispChnStr(xpos,ypos,\"大众超声模块测试\公众,6,&xpos,&ypos);
ClearRect(2);
/超声波测距/
idx=0;
while(1)
{
delay10us(100);
//发送10us启动电平
FIO3PIN0 |= 1<<3;
delay10us(1);
FIO3PIN0 &= ~(1<<3);
//等待高电平涌现
while(!(FIO3PIN0&(1<<1)));
//配置定时器0
T0TC=0; //打消定时器值
T0PR=0x10; //预分频寄存器
T0CTCR=0; //定时器模式，检测PCLK边沿
T0TCR=0x01; //计数器使能、计数器复位
delay(1);
//等待降为低电平
while(FIO3PIN0&(1<<1));
//显示间隔值，大概80为1cm
count=T0TC;
distance =count/80;
sndBuf[0]='d';
sndBuf[1]='=';
sndBuf[2]= distance /10000+'0'; //万
sndBuf[3]= distance %10000/1000+'0'; //千
sndBuf[4]= distance %1000/100+'0'; //百
sndBuf[5]= distance %100/10+'0'; //十
sndBuf[6]= distance %10+'0'; //个
sndBuf[7]='c';
sndBuf[8]='m';
DispAscStr(0,40,sndBuf,9,&xpos,&ypos);
delay10us(3000);
}
//
return 0;
}
倒车实验
本实验模拟倒车，当间隔小于20cm时，提示司机把稳安全倒车间隔，大于安全间隔时显示间隔障碍物的间隔。修正Main.c中的代码如下：
//模拟倒车，当间隔小于20cm时发出警告，并显示当前间隔值
声速丈量
利用声速、传播韶光、传播间隔的关系，模拟实验条件，大略的测出实验环境下的声速的大概值。
例如在NXP实验节点板定时器输入频率为f=12MHz，进行N=8分频后每个计数周期为 ，假设超声波声速为c，则由 ，可知 。
自动门实验
本实验模拟自动门的功能。初始时，门关闭。当有人到达门前，原有的间隔被改变，当人与测距器的间隔达到临界值时(例如间隔小于50cm)，打开自动门。否则，认为没有职员的到来，关闭自动门。
idx=0;//初始状态，门处于关闭状态
if((distance<50)&&(idx==1))
{
drawrect(0,40,128,48,0x2345);
DispAscStr(0,40,\"大众status:open\"大众,11,&xpos,&ypos);
idx=0;//关闭门
}
else if((distance>50)&&(idx==0))
{
drawrect(0,40,128,48,0x2345);
DispAscStr(0,40,\"大众status:close\"大众,12,&xpos,&ypos);
idx=1;//打开门
}
看完本文后思考
1. 超声波有哪些用场?
2. 超声波测距的事理是什么？
3. 你认为超声波测距模块可以运用于哪些场合？
4. 影响超声测距模块精确度的成分有哪些呢？
