图3.1  AT89C51引脚图
3.1.2 单片机实现测距原理
单片机控制超声波发射器发出40kHZ的超声波信号；超声波接收器采集到反射回来的信号后，可精确测试从开始至结束全过程所花的时间，同时利用单片机来判断整个测试过程的时序，即被测物体之间的距离是由发射信号经过障碍物反射回来之间的距离，而并不是由发射出来的信号直接被接收器接收直接的距离，从而正确显示出来。
限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之角的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法[7]。
3.2  超声波发射电路
    超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT40-16T能向外界发出40kHZ左右的方波脉冲信号。超声波换能器由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成，Cymbal阵列接收器由8～16只Cymbal换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。压电陶瓷圆盘换能器用作基本的超声波换能器，由它发射和接收超声波信号；Cymbal阵列接收器位于圆盘式压电换能器之上，作为超声波接收器，用于接收圆盘换能器频带之外的多普勒回波信号。本发明的作用距离大于35m，频带宽度达到10kHz，能检测高速移动的远距离目标[8]。结构如图3.2所示。
 图3.2  超声波发射换能器
40kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机P1.0端口输出40kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40kHz方波脉冲信号分为两路，送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器TCT40-16以声波形式发射到空气中。发射部分的电路，如图3.3所示，图中输出端上拉电阻R1，R6，一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。
图3.3  超声波发射电路
压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。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信号，其频率等于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，这是它就是一个超声波发生器；反之，如果两极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。
3.3  超声波接收电路
超声波接收电路所用的芯片，我们采用SONY公司生产的红外接收专用芯片CX20106A（内部结构如图3.4所示），它采用集成接收芯片对超声波回波信号进行放大和整形，由于红外线的载波频率和测距超声波频率40kHz非常接近，且具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力，可以利用它作为超声波接收电路[9]。外围电路简单易于实现，同时减少了生产调试的麻烦，因此我采用这个接收方案。
 图3.4 CX20106A内部结构
当超声波接收头收到发射信号时，便通过CX20106进行前置放大、限幅放大、带通滤波、峰值检波和比较、积分及施密特触发比较得到解调处理后的信号。7脚为信号输出口，没收到信号时为高电平，收到后为低电平，之后又恢复高电平。 AT89C51单片机的身高自动测量系统设计+Proteus仿真图(5):http://www.751com.cn/zidonghua/lunwen_9261.html