信息科技Information Technology ໄ⊶⌟䎱ⱘॳ⧚ঞ䆒䅵超声波测距的原理及设计张 琛，耿 标ᓴ⧯ˈ㘓ᷛ中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 221116ЁⷓϮᄺֵᙃϢ⬉⇨Ꮉᄺ䰶ˈ∳㢣ᕤᎲ摘 要超声波频率高、波长短、衰减缓慢、指向性强，所以在短距离测试广泛应用。本文基于MCS-51单片机，实现通过超声波的发射和接收来检测距离，方法简单，实用性好。㽕䍙ໄ⊶乥⥛催ǃ⊶䭓ⷁǃ㹄ޣ㓧᜶ǃᣛᗻᔎˈ᠔ҹⷁ䎱⾏⌟䆩ᑓ⊯ᑨ⫼DŽᴀ᭛关键词MCS-51单片机；压电式超声波换能器；CX20106A红外检波芯片中图分类号TB51+7文献标识码A文章编号1674-6708（2010）22-0222-020&6ऩ⠛ᴎˈᅲ⦄䗮䖛䍙ໄ⊶ⱘথᇘᬊᴹẔ⌟䎱⾏ˈᮍ⊩ㅔऩˈᅲ⫼ᗻདDŽऩ⠛ᴎ˗य़⬉ᓣ䍙ໄ⊶ᤶ㛑఼˗&;$0 引言㑶Ẕ⊶㢃⠛由于超声波的频率高，波长短，传播过程衰减慢，指向性好等特点，使其广泛的应用于各种距离检测的场合。比如生产流水线经常要进行物位的检测以调节皮带的转速或进料的量；勘测机器人的壁障都需要不断的检测障碍距自身的距离来判断行走的方向，当然这需要在不同的方位（通常为前、后、左、右4个方位）都要安装相应的超声波测距装置，来检测不同方向的距离，通过相关的算法来选择最佳穿越路径等等，这些都是超声波检测的应用。所以，本文基于MCS-51Ͼᮍԡ˅䛑㽕ᅝ㺙Ⳍᑨⱘ䍙ໄ⊶⌟䎱㺙㕂ˈᴹẔ⌟单片机来设计一个典型的超声波测距装置。0&61 超声波发生和接收器ऩ⠛ᴎᴹ䆒䅵ϔϾൟⱘ䍙ໄ⊶⌟䎱㺙㕂DŽ超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波；另一类是用机械方式产生超声波。它们的区别在于产生的超ϔ㉏ᰃ⫼⬉⇨ᮍᓣѻ⫳䍙ໄ⊶˗ϔ㉏ᰃ⫼ᴎẄᮍᓣѻ声波频率、功率和声波特性方面不同ࡳ⥛ໄ⊶⡍ᗻᮍ䴶ϡৠˈ，所以它们用途也不同。目᠔ҹᅗӀ⫼䗨г前在近距离测试方面，采用压电式超声波换能器是比较常见的。压电式超声波换能器的结构很简单，由两个压电晶片和一个共振板组成。如果在压电晶片两极上施加频率为其固有频率的输⬅ϸϾय़⬉⠛ϔϾ݅ᤃᵓ㒘៤DŽ䍙ໄ⊶⌟䎱ॳ⧚Ϣ䕃ӊ䆒䅵入电压信号时，压电晶片将会产生共振⌟䞣䖛˖䍙ໄ⊶থ⫳఼থᇘߎϔ㋏߫䍙ໄ⊶ৢˈ⺄ࠄডᇘ⠽䖨ಲˈ✊ৢᬊ఼ᬊࠄ䍙ໄ⊶⌟䎱ॳ⧚Ϣ䕃ӊ䆒䅵，并带动共振板振动（共振板相当于一个放大器）产生超声波。如果不在压电晶片两极上থᇘ⊶ৢ䗕ᕔय़⬉⠛ᇚӮѻ⫳݅ᤃˈ⌟䞣䖛˖䍙ໄ⊶থ⫳఼থᇘߎϔ㋏߫䍙ໄ⊶ৢˈ⺄ࠄডᇘ⠽䖨ಲˈ✊ৢᬊ఼ᬊ&;$䖯㸠Ẕ⊶ˈѻ⫳䚼Ёᮁˈऩ⠛ᴎ䗮䖛䅵ㅫࠡৢᯊ䯈Ꮒेৃㅫߎ䎱加电压，那么当共振板接收到超声波时⾏DŽথᇘ⊶ৢ䗕ᕔ，会迫使压电晶片振动&;$这样就将机械能转化为电信号，可以通过؛䆒⦃๗⏽ᑺЎ波构成里超声波接收器，再送往MCS-51⾏DŽCX20106Aćˈℸᯊໄ⊶ⱘӴ䕧䗳⥛Ў，芯片进行检单片机进行处理即可测距。0&6ऩ⠛ᴎ䖯㸠໘⧚ेৃ⌟䎱DŽ2 超声波测距原理与硬件设计؛䆒⦃๗⏽ᑺЎćˈℸᯊໄ⊶ⱘӴ䕧䗳⥛Ў2.1 超声波发生器设计䇈ᯢ˖7+ˈ7/Ўѻ⫳䚼ЁᮁᯊⱘᔧࠡؐQᤃˈ䗮ᐌЎ0+]ˈ9 PV䗮䖛Ϟᓣᄤৃҹ∖ߎ䎱⾏䕃ӊ䆒䅵˖བ˖7ᎹϢᮍᓣˈԡ䅵఼᭄ˈPV7ᎹϢᮍᓣ䇈ᯢ˖ˈԡ䞡㺙䕑䅵఼᭄߱ؐЎ7+ˈ7/Ўѻ⫳䚼ЁᮁᯊⱘᔧࠡؐQপডϔˈѻ⫳ ᤃˈ䗮ᐌЎ.+]ᮍ⊶DŽ0+]ˈ9 PV䗮䖛Ϟᓣᄤৃҹ∖ߎ䎱⾏䕃ӊ䆒䅵˖ བ˖7ᎹϢᮍᓣ㒧䆎7ᎹϢᮍᓣˈԡ䞡㺙䕑䅵఼᭄߱ؐЎℸᮍ⊩ᨁᓎⱘ䍙ໄ⊶⌟䎱㺙㕂᳝ㅔऩˈৃ䴴ㄝӬ⚍ˈ㒣 图䖛⌟䆩ˈ̚FP1পডϔˈѻ⫳ݙⱘ⌟䞣䇃ᏂϡѢ.+]FPˈ㊒ᑺ䕗催ˈᇍѢϔ㠀㊒ᑺ㽕∖ⱘ⌟䎱എড়䴲ᐌ䗖⫼DŽᔧЁᮁѻ⫳ᯊˈЁᮁ໘⧚ᑣЁ䇏প如图1：Wave端接单片机的P1.0口，通过定时器产生40Khz的方波送入74LS04非门，খ㗗᭛⤂ⱘ᭄ˈৃҹ䅵ㅫߎϔ݅䅵᭄ⱘ᭄ˈ74LS04用于增强驱动能力，使输出方波更加标准>@ὐ✊㢫ˈ᠔ҹৃҹᕫࠄҢ䍙ໄ⊶থ䗕ࠄডᇘಲᴹⱘᯊ䯈Ꮒˈᴢܝ亲ऩ⠛ᴎ䇒䆒䅵ᣛᇐ࣫Ҁ㟾ぎ㟾ᄺˈ增加74LS04高电平驱动能力，同时可以增大振荡的阻尼系数，上拉电阻ࠄ䎱⾏DŽ，少振荡时间。>@㚵∝ᠡऩ⠛ᴎॳ⧚ঞষᡔᴃ⏙ढᄺߎ⠜⼒ˈ减㒧䆎2.2 超声波接收器的设计ℸᮍ⊩ᨁᓎⱘ䍙ໄ⊶⌟䎱㺙㕂᳝ㅔऩˈৃ䴴ㄝӬ⚍ˈ㒣如图2：Receiver接收超声波，通过出送往MCS-51单片机的外部中断0。䖛⌟䆩ˈ̚FPCX20106A进行检波，输ݙⱘ⌟䞣䇃ᏂϡѢϔ㠀㊒ᑺ㽕∖ⱘ⌟䎱എড়䴲ᐌ䗖⫼DŽ《科技传播》2010•7（上）222খ㗗᭛⤂>@ὐ✊㢫ˈᴢܝ亲ऩ⠛ᴎ䇒䆒䅵ᣛᇐ࣫Ҁ㟾ぎ㟾ᄺˈ ᔧ✊䖭䳔㽕 图23 超声波测距原理与软件设计测量过程：超声波发生器发射出一系列超声波后，碰到反射物返回，然后接收器接收到发射波后送往CX20106A进行检波，产生外部中断，单片机通过计算前后时间差即可算出距离。假设环境温度为20℃，此时声波的传输速率为344m/s，由此可以推到出距离s：s=V*[(256*THO+TLO)+n*65536]fosc/12V˖*1PVˈ⬅ℸৃҹࠄߎ䎱⾏2说明：TH0，TL0为产生外部中断时的当前值,n为定时器的溢出次数，fosc为51单片机。PVˈ⬅ℸৃҹࠄߎ䎱⾏晶振S(m)。Ўᅮᯊ఼ⱘ⑶ߎ᭄ˈ，通常为12MHz，V=344m/s,IRVFЎऩ⠛ᴎ通过上式子可以求出距离软件设计6PDŽ：⑶ߎϔˈ)+ˈे↣XVᅮᯊ఼߱ྟ1࣪Ўᅮᯊ఼ⱘ⑶ߎ᭄ˈ,17ѻ⫳Ёᮁ˛IRVFߎ<6PDŽVਃࡼ7ǃ7䇏প7ⱘ䅵ˈԡ䅵఼᭄ˈPVᕫথ䗕䍙ໄ⊶⑶ߎϔˈ᭄ؐ )+ˈे↣1XVᅮᯊ఼߱ྟথ䗕ᅠ↩˛䅵ㅫ࣪7<ᔧࠡؐˈ⑶ߎЎ↣䅵᭄ϔ⫼ᯊᓔ䚼Ёᮁਃࡼ7ǃ7,17ᰒ⼎XV䖯㗠ৃҹᕫথ䗕䍙ໄ⊶如图3：T0工作与方式1，16位计数器，65ms溢出一次，T1工作与方式2，8位重装载计数器,初值为0F4H，即每12us取反一次，产生40KHz方波。 থ䗕ᅠ当中断产生时，次数，可以计算出一共计数的次数FPˈ㊒ᑺ䕗催ˈᇍѢ在中断处理程序中读取T0当前值，和溢出的，因为每计数一次用时↩˛1us,所（下转第217页）<ᓔ䚼Ёᮁ,17䆡0&6ߚ㉏ো7%᭛⤂ᷛ䆚ⷕ$᭛ゴ㓪ো˄˅ᓩ㿔⬅Ѣ䍙ໄ⊶ⱘ乥⥛催ˈ⊶䭓ⷁˈӴ᪁䖛㹄ޣ᜶ˈᣛᗻདㄝ⡍⚍ˈՓ݊ᑓ⊯ⱘᑨ⫼Ѣ䎱⾏Ẕ⌟ⱘഎড়DŽ↨བ⫳ѻ⌕∈㒓㒣ᐌ㽕䖯㸠⠽ԡⱘẔ⌟ҹ䇗㡖Ⲃᏺⱘ䕀䗳䖯᭭ⱘࢬ⌟ᴎ఼Ҏⱘຕ䱰䛑䳔㽕ϡᮁⱘẔ⌟䱰䎱㞾䑿ⱘ䎱⾏ᴹ߸ᮁ㸠䍄ⱘᮍˈৠⱘᮍԡ˄䗮ᐌЎࠡǃৢǃᎺǃেᮍⱘ䎱⾏ˈ䗮䖛Ⳍ݇ⱘㅫ⊩ᴹ䗝ᢽ᳔Շこ䍞䏃ᕘㄝㄝˈ䖭ѯ䛑ᰃ䍙ໄ⊶Ẕ⌟ⱘᑨ⫼DŽ᠔ҹˈᴀ᭛Ѣ䍙ໄ⊶থ⫳ᬊ఼䍙ໄ⊶থ⫳఼ৃҹߚЎϸ㉏˖ໄ⊶DŽᅗӀⱘऎ߿Ѣѻ⫳ⱘ䍙ໄ⊶乥⥛ǃDŽⳂࠡ䖥䎱⾏⌟䆩ᮍ䴶ˈ䞛⫼य़⬉ᓣ䍙ໄ⊶ᤶ㛑఼ᰃ↨䕗ᐌ㾕ⱘDŽय़⬉ᓣ䍙ໄ⊶ᤶ㛑఼ⱘ㒧ᵘᕜㅔऩˈབᵰय़⬉ᵕϞᮑࡴ乥⥛Ў᳝݊乥⥛ⱘ䕧ܹ⬉य़ֵোᯊˈᑊᏺࡼ݅ᤃᵓ˄݅ᤃᵓⳌᔧѢϔϾᬒ఼˅ѻ⫳䍙ໄ⊶DŽབᵰϡय़⬉⠛ϸᵕϞࡴ⬉य़ˈ䙷Мᔧ݅䖯㸠Ẕ⊶ˈѻ⫳䚼Ёᮁˈऩ⠛ᴎ䗮䖛䅵ㅫࠡৢᯊ䯈Ꮒेৃㅫߎᬊࠄ䍙ໄ⊶ᯊˈӮ䖿Փय़⬉⠛ᤃࡼˈ䖭ḋህᇚᴎẄ㛑䕀࣪Ў⬉ֵোˈৃҹ䗮䖛$㢃⠛䖯㸠Ẕ⊶ᵘ៤䞠䍙ໄ⊶ᬊ఼ˈݡ䗕ᕔV˖䍙ໄ⊶⌟䎱ॳ⧚Ϣ⹀ӊ䆒䅵䍙ໄ⊶থ⫳఼䆒䅵Ўऩ⠛1,17Ёᮍ⊶DŽ䇏প᭄䍙ໄ⊶ᬊ఼ⱘ䆒䅵1䅵ᰒInformation Technology 信息科技RIA网页的界面由于多媒体技术的实现，可以很好的容纳文字、声音、图片、影像、动画等多种媒体表现形式，在视觉表现效果上可以有更多的选择。此外交互技术的发展，让多媒体内容可以可控有序的展示给浏览者，避免了无序，同时也给浏览行为增加了诸多乐趣。多种媒体形式的运用还让视觉效果可以更加丰富和多元，实现的方式却很简单。与此对应的是HTML下的网页虽然也可以实现各种媒体共存，但较之RIA却很局限和不便。例如，一个RIA页面可以轻易的实现网站的进入动画，并在每个操作或页面切换中加入精彩的动画效果，而HTML要做到这点是很难，相对步骤更加繁琐，这必然设计者的构思和创造。2.2 RIA下网页设计要求2.2.1 全面的专业素质在RIA环境下，不再是一切围绕文字信息展开，静态和动态图像都将更多参与进来，甚至会有一些游戏技术加入等。这样的设计目标就给网页设计师提出了更高的要求，要求网页设计师虽然不必每种技术都精通，但必须都要具备一定经验，且必须有自己擅长的技术手段，这样才会有竞争力。就技能全面性来说，可能超越了其他很多的设计种类，这在以前是未曾料想到的，很多的网页设计师，尤其是国内的设计师，在这场即将全面到来的新时代面前，反应比较迟钝。相比较于以往的网络时代，未来RIA下的网页设计师需要更为全面的专业素质，以应付网络时代的视觉盛宴。2.2.2 “用户体验至上”的交互设计思想虽然在RIA下设计师依然应该重视静态视觉页面的设计，但工作重心更应该放在交互设计上。或者说界面图形设计从静态图形过渡到了动态图像，对动态的设计是页面是否友好，是否能引导用户到达目标的关键。网页设计师应该担负起更多的责任，在网页界面的结构和功能设计上应该有更多的主动权，这在以往可能是由后台技术来决定。但是，网页作为一种传媒形式，合理的状态一定是从前至后，从客户心理需求到前端表现再到后台技术实现，整个流程必须充分考虑到前端用户体验的重要性。网页浏览中的人性化体验不仅仅是个孤立的界面设计+强大功能的技术实现，在RIA下，更需要用各种动态效果和多媒体形式来引导用户找到想要到达的页面，获得准确的信息，时刻注意把握未来浏览者的心理特征。这样的设计才会更有人情味，更能吸引受众，贴近受众。2.2.3 锐意进取的创新精神之所以将这个要求单独提出，原因是RIA下的网页设计师应该更多的强调这种精神。HTML技术已经相当成熟，表现形式也千篇一律，也逐渐形成了一种固定的“行规”。然而，重要的是当时网络的出现更多的是考虑如何让人们能够将阅读习惯从纸媒上慢慢转移过来。但是，到了今天，网络媒体已经开始没有这些担忧，以前的谨慎现在看来是对用户的不负责任。因为，抛开“行规”而言，今天的网页页面并不十分合理。任何的界面设计都应该首先照顾其承载平台的特点，而现在的页面更多的是照顾传统纸媒的特点，所有信息都是分页显示，版面不够就利用滑动条来拓展。这样的设计思维完全将电脑屏幕等同于纸面，这是极大的浪费。我们的电脑屏幕所显示的图像是具有深度的，是可以智能的，可以根据不同的条件需求进行智能变化。RIA下的网页设计师应该也必须跳出死板的“行规”，设计出真正符合数字平台的网页作品。 3 RIA下网页设计的未来之路3.1 机遇与困难同在RIA的出现是令人兴奋的，今天的网络环境和用户环境给它提供了足够大的机遇，但同时，RIA也有一些问题需要克服，它的登顶之路依然会遇到诸多考验。1）用户习惯。比如，HTML时代建立起来的用户习惯可能就是一个巨大的障碍，很多用户习惯了一种方式后，即便是这个方式不是最方便快捷的，他也很难改变，或者说改变需要时间和更多更好更明显的优势来促成。2）客户端跨平台普及率。为了争夺未来的这个庞大市场，不管是微软还是Adobe都在竭尽全力推出自己的标准，就目前而言，还没到完全统一的境地。相比较而言，RIA的客户端中普及最为广泛的是Flash Player，但和系统的无缝连接还需要加强，特别是非IE浏览器上。另外，在移动终端上的表现还很薄弱，比如手机、PDA等数字产品上，HTML比它表现更为出色。3.2 携手共生、取长补短虽然前面大量篇幅介绍网络媒体即将进入RIA时代，但这并不是说网络的明天就一定是RIA独步天下，RIA技术的出现更大的意义是反映了互联网用户的更高层次需求。网络媒体会在各种新技术的推动下变得更加丰富、更加富有层次。新技术的来临是为网络媒体提供了一个新的选择，但不是对HTML的彻底否定。相比较而言，HTML技术对文字的高效渲染能力至今依然极其出众，对于很多主要以传递文字信息的网站而言，使用HTML技术来创建更加适合。而对于多媒体内容的对象而言，则是给了RIA更大的表现舞台。在一定的时期内，两种技术平台将会依然共存以服务于不同的对象。未来的网页架构和表现形式或许可能是HTML与RIA共存的局面，HTML技术的简单、成熟和用户习惯的根深蒂固使其有足够的理由不会退出历史舞台，更何况HTML技术也在朝着RIA的方向靠拢。所以，更远的未来，甚至是二者的互补直至融合。本文的意图在于提醒网页设计者面对网络环境的变化，应该具备随时更新思维、更新技术的意识，网络是新兴媒体，网页设计亦是最为前沿的媒体设计，任重而道远。参考文献[1][美]AlanCooper\\RobertReimann\\DavidCronin著.交互设计精髓.电子工业出版社.[2]中国Ria开发者论坛.www.riachina.com.（上接第222页）以可以得到从超声波发送到反射回来的时间差，进而可以得到距离。参考文献[1]楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导.北京航空航天大学，2007.[2]胡汉才.单片机原理及接口技术.清华大学出版社，2004.图34 结论此方法搭建的超声波测距装置具有简单，可靠等优点，经过测试，8~500cm内的测量误差不大于1cm，精度较高，对于一般精度要求的测距场合非常适用。2172010•7（上）《科技传播》
