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1.2 课题意义
随着社会的进步及计算机技术和自动化技术的发展，测距与识别问题在工业中变得十分重要。以前，传统的测距用尺子，但在很多复杂环境下，尺子会不太适合。这样就需要采用一种更加简单而精确的方法。于是产生了目前的非接触式测量方法，如采用超声波、激光、雷达及红外线等进行测量的方法。但是，激光和雷达测距的造价很高，红外线测量的距离又太短，不利于广泛应用，而且在某些应用领域还有局限性。综合比较之下，超声波测距则具有明显突出的优点。
超声波测距是一种非接触式检测和识别的手段。因为超声波对色彩、光照度、外届光线和电磁场不敏感，所以它对于被测物处于黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境下具有一定实际意义。因此超声波在自动测距、汽车倒车雷达、定位导航、无损探伤、机器人避障、水库液位测量、机械加工自动化装配及检测等方面已有广泛应用。
本文介绍一种基于51单片机的脉冲反射式超声波测距系统，该系统以空气中超声波的传输速度为确定条件，利用反射超声波来测量待测距离。利用这种方法可以简便、精确地测量待测距离。
2. 系统方案论证
本超声波测距系统以AT89C51单片机为核心，由555集成电路构成的超声波发射电路、CX20106A构成的超声波接收电路、LCD显示电路、系统电源和51单片机控制电路等为辅助部分组成。通过对采集到的超声波数据进行处理，可以准确测量出被测物体的实际距离，并能直观的显示在LCD液晶显示屏上。
本系统结构框图如图1所示。
图1 系统结构框图
在整个系统中，超声波发射部分负责发出超声波；超声波接收部分负责接收反射回来的超声波；51单片机部分负责对数据进行处理和计算，并把测量结果显示到LCD液晶显示屏上；辅助电路同时也可以提供实际温度等环境参数。
2.1 常见测距方法分析
目前常用的测距法主要有四种:
（1）激光测距：激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光测距测量距离最远且发射角度小但容易受到烟雾、灰尘、雨滴等环境的影响，考虑到安全性，还会对人的眼睛有一定威胁。
（2）雷达测距：发射机发射电磁波中一部分能量照射到雷达目标上，在各个方向上产生二次散射。雷达接收天线收集散射回来的能量，并送至接收机对回波信号进行处理，从而发现目标，提取目标位置、速度等信息。雷达波穿透能力强，测量精度高但容易受电磁干扰，且造价高、系统构造复杂、数据处理速度较慢。
（3）红外线测距：红外线测距的原理与激光测距的原理类似。红外线在穿越其他物质时折射率很小，因此适用于长距离测量，但其方向性太差、精度较低、容易受日光或相近波长光源干扰，不适合大范围应用。
（4）超声波测距：通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差，乘上超声波的传播速度，所得长度的一半即为待测目标的距离。超声波为直线传播方式，有很好的方向性，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力很强，可以在空气中远距离传播，且受环境影响较小，适合广泛应用。
考虑到成本、效率、灵活性和可操作性等综合因素，本设计采用超声波测距作为距离测量方法。
2.2 超声波测距原理
超声波测距方法有脉冲回波法、共振法和频差法[3]。其中脉冲回波法测距最为常见，它主要是基于对超声波测距回波信号进行识别，采用模拟方法用电路来实现，如图2所示。
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