工业实用的要求，因此超声波测距技术得以广泛的推广和应用。
2.3超声波测距原理及实现
超声波的指向性强,能量消耗缓慢,遇到障碍物后反射效率高,是测距的良好载体。测距时由安装在同一位置的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收,由定时器计时。首先由发射器向特定方向发射超声波并同时启动定时器计时,超声波在介质传播途中一旦遇到障碍物后就被反射回来,当接收器收到反射波后立即停止计时。这样,定时器就记录下了超声波自发射点至障碍物之间往返传播经历的时间t(s)。由于常温下超声波在空气中的传播速度约为340m/s,所以发射点距障碍物之间的距离为:
S=340 t/2=170 t (2-4) 由于单片机内部定时器的计时实际上是对机器周期T机的计数,设计中时钟频率f取12MHz,设计数值N,则
T机=12/f=1μs,t=N T机=N×10-6(s) S=170×N×T机=170×N/106(m)
或S=17×N/103(cm) (2-5) 程序中按式(2-5)计算距离。 可以看出主要部分有：
(1)供应电能的脉冲发生器（发射电路）； (2)使接收和发射隔离的开关部分；
(3)转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器； (4)接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；
(5)接收放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设 备；
(6)记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。
在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。故在超声波测量中，常使用40KHz的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方式。由于超声
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波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能。距离测量系统常用的频率范围为25KHz～300KHz的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。
2.4测量精度的影响
在测距公式
S?1ct2
（2-6）
中，声波在介质中的传播速度c是一个受多种因素影响的变量，声时t是由计时电路测量得到的，并随着被测距离的改变而变化的，对式(2-6)两边微分得到 dS?1(cdt?tdc) （2-7） 2式(2-7)说明，超声波测距系统的测量精度是由声时和声速两个参数决定的。
2.4.1声时的影响
在影响声时精度的诸多因素中，计时电路的计时频率和超声波的发射频率有是两个重要因素。
(1) 计时电路的计时频率 取c为常数，则（2-7）为：
dL?1cdt 2 (2-8)
假设计时频率为f，则(2-7)为
dL?c2f (2-9)
(2-9)表明：计时电路的计时频率越大，测试精度越高。
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2.4.2超声波频率影响
超声波传感器收到回波信号后转换为电信号输出，电信号（接收信号）的幅值随时间的变化规律如图2-1所示：
接收信号A触发阈值时间
图2-1 接收信号示意图
如果将触发计时电路的阀值设为A点所在的水平电信号，那么，计时电路的计时时间比接收信号的开始时间滞后了2个周期，在测量距离时将产生1个波长的误差，即：
?L?cT
（2-8）
式中：T为超声波的周期，?L为测量距离内将产生的误差
所以，超声波频率越大，周期就越小，传感器的测量精度越高。并且超声波频率高，绕射能力弱，扩散角小，波束细，则盲区比较小。但在选用超声波换能器时，还应考虑到超声波换能器的频率越大，传播过程中的衰减系数越大，将影响它的有效测试距离。本系统属于近距离测量，因此选用频率较高的125KHz 超声波。
式(2-4)明：超声波测距系统在测量距离时，必须知道超声波在介质中的传播速度，才能根据计时值中求出所测物体的距离。超声波的传播速度是一个变量，受多种因素影响，即使在传播介质确定的情况下，介质温度、压力、风力等因素的改变，也将影响超声波的传播速度。所以，在超声波测距系统的实际应用中，很难得到一个稳定不变的超声波速度，因此必须对超声波的速度进行实时校正。对于在大气中传播的声波而言，引起声速变化的主要原因是温度的变化。
温度传感器校正。如果传播介质比较稳定，而且温度是影响传播速度的最主要因素，那么就可以采用温度传感器对超声波速度进行实时校正。
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校正方法：通过试验确定在传播介质中超声波速度与温度之间的关系曲线，按照一定的温度间隔得到一个温度与速度的关系表格，最后将温度与速度的关系表存入超声波测距系统的软件系统。在实时测距时，系统通过温度传感器获得介质的实时温度，然后从速度与温度关系表格中取出对应速度，从而清除温度对超声波的影响，则求出实际测试距离，如表2-1所示：
表2-1 超声波的传播速度与温度关系
温度/℃ 声速m/s -30 313 -20 319 -10 325 0 333 10 338 20 344 30 350 100 388 2.5提高测量精度的措施
针对上述测量精度的影响因素，采取如下措施可以提高超声波测距传感器的测量精度。
1） 提高计时电路的计时频率
如果选择1 MHz脉冲频率，则计时频率周期可达到T?1?s，如果c?334m/s，则测试精度为：?l?cT?334?1?10?6?0.167mm。可见，如果提高计时电
路的计时频率，则精度会提高。
2）提高超声波换能器的固有频率
如果超声波的固有频率为40 KHz，并假设接收信号滞后两个周期，则式(2.7)得测试误差为：
?l?cT?334?1?8.35mm40000。如果超声波的固有频率为
125KHz，则测试误差将缩小3.125倍。
3）超声波的传播速度与温度关系
根据当时的温度情况，对照超声波的传播速度与温度关系，采用适合的声速来进行计算。
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