一、 系统框图
图1 系统框图
二、 整体原理阐述
单片机的IO 口（P35和P10）输出方波（同时单片机内部定时器开始计时）到MAX232的两个输入端，经过MAX232功率放大，MAX232的两个输出端输出至超声波发射探头，超声波发射探头将40KHZ 的电信号转换成40KHZ 的声音信号发射出去，遇到障碍物后声波返回，超声波接收探头接收到声音信号后，将声音信号转化成等频率的电信号，因为声音信号在传输的过程中有很大的衰减，所以必须将转化后的电信号放大。电信号经过LF442的两级放大后，再经过LM311的比较转化为数字信号，输入到单片机的P11口，单片机检测到P11口的电压变化后，内部定时器停止定时。假设定时器的时间为t 。如果再知道声波的传播速度c ，即可通过公式（一）求得超声波的探测距离：
S=ct/2 （一）
由于超声波的传播速度和温度有密切的关系，因此在系统中使用DS18B20进行温度补偿。假设测得的温度为T ，，则此时的 c＝（331.45＋0.61T ／℃）m•s-1 （其中331.45是在0度时声音在空气中的速度）。
三、 各部分电路图及说明
1、 方波产生及功率放大电路
方波产生及功率放大电路如图2所示。R11和Q1组成选通开关。ECHO 由主板单片机控制，用来控制发射探头的开或关。ECHO 为低电平时，Q1导通，电源给MAX232通电，否则断电。（注：开发的模块将三极管去掉了，max232电源端直接接5V ）。单片机的P35和P10组合产生40KHZ 方波，经过MAX232的功率放大，分别输出至超声波发射探头的两端T1OUT 和T2OUT 。超声波发射探头接收到40KHZ 的电信号后，将该电信号转换成40KHZ 的声音信号。
图2 方波产生及功率放大电路
2、LF442两级信号放大电路
LF442是高阻低功耗双运算放大器，其两级信号放大电路如图3所示。因为声音信号在空气中成指数级衰减，因此接收端接收到的声音信号很弱，经过接收探头转换后的电信号亦很弱，需要经过放大后，才能变成满足需要的信号。图中C11的作用是滤掉直流信号，消除干扰。放大倍数A=（-36/2.2）*（-36/2.2）
=268.
图3 LF442两级信号放大电路
3、LM311比较电路
LM311内部集成电压比较器，其外围电路如图4所示。当发射探头被关闭之后，由于偏正片的惯性作用，其振动不能立刻停止，此时发射探头将部分的机械能转换成电能，该电信号为交流信号。当该电信号为正时，此信号无法通过D2，电能由R12消耗。当该电信号为负时，电流经过C14和R10，经过D2和R12，C14和R10并联，可以很快的消除该电信号的的干扰，此设计在硬件上有效的避免了余波信号的干扰。 LF442经过两级放大后，输出端经过R3输入至LM311的2号脚（IN+），比较器负端（IN-）接等效地。
图4 LM311外围电路
四、 余波的产生及消除
余波的产生主要是由于压电式或者声电式传感器存在振荡惯性, 以及电路板上器件随通过电路板传播的超声波产生的机械振荡形成新的共振点。余波从发射探头和新振源经电路板传至接收探头, 由于传播路径短, 当超声波信号发射后, 信号总是存在着衰减震荡如图6, 这就叫做“拖尾”，即余波。余波与发射频率和传播媒介的性质有关, 一般在1ms ～2. 5ms, 在这段时间内, 余波信号与回波信号是无法区别开来的, 因此造成了盲区的存在, 而且这段时间的长短决定着盲区的大小。因此, 若要缩小盲区就要减小余波，减少发射脉冲数目（一般发射5个方波）、增加阻尼、在发射关闭后加快电信号的衰减（如图4）和软件延时都能够有效的减少余波干扰。
图6发射信号后的余波
五、波形跟踪和说明
1、单片机IO 口输出波形
图7 P11口输出波形
如图7所示，单片机P10口输出了频率为40KHZ ，5V 的方波5个（下方波形）。单片机P35口输出了频率为40KHZ ，电平与P10反相的波形（上方波形）。发射波形的时间间隔约为35ms 。
2、MAX232 7号脚（对应P10输出）波形
图9 MAX232 7号脚（对应P10输出）波形
MAX232 7号脚（对应P10输出）波形如图9所示，该波形峰值电压约为6V ，最小电压约为-9V 。
3、MAX232 14号脚（对应P35输出）波形
图10 MAX232 14号脚（对应P35输出）波形
MAX232 7号脚（对应P35输出）波形如图10所示，该波形峰值电压约为12V ，最小电压约为-5V 。CurA 与CurB 之间波形为探头偏振片的惯性产生，即余波，约长1ms 。
4、接收探头波形图
图11 接收探头两端波形图 5、接收探头经过电容滤直流后的波形
图12 接收探头经过电容滤直流后的波形
6、LF442一、二级放大后的波形
图13 LF442一、二级放大后的波形
图左端为图12波形经过LF442一级放大后的波形，图右端为图12波形经过LF442二级放大后的波形。
7、LM311 2号脚及3号脚（IN-）波形图
图14 LM311 3号脚（IN-）波形图
如图14所示，图右为LM311 2号脚波形图。图左为LM311 3号脚（IN-）波形图。IN-电压会突然下降，然后会很快的回到0V ，这是因为超声波探头的振荡惯性，在超声波探头被关断后，由压电效应产生的负电压引起IN-端的电压下降，又因为C14与R10并联，可以储能并很快消耗，所以又很快的回到了0V 。
8、LM311 7号脚（P11）波形
由LM311 输出后，将模拟信号转化为数字信号，供单片机识别。
图14 LM311 7号脚（P11）波形
六、超声波束图形
七、测量数据
不同方波数的数据比对：（用模块一测量）
模块一：（方波数为4）（474、348、173、45）
模块二：（方波数为4）（474、350、170、42）
模块五：（方波数为4）（470、348、171、44）
一、 系统框图
图1 系统框图
二、 整体原理阐述
单片机的IO 口（P35和P10）输出方波（同时单片机内部定时器开始计时）到MAX232的两个输入端，经过MAX232功率放大，MAX232的两个输出端输出至超声波发射探头，超声波发射探头将40KHZ 的电信号转换成40KHZ 的声音信号发射出去，遇到障碍物后声波返回，超声波接收探头接收到声音信号后，将声音信号转化成等频率的电信号，因为声音信号在传输的过程中有很大的衰减，所以必须将转化后的电信号放大。电信号经过LF442的两级放大后，再经过LM311的比较转化为数字信号，输入到单片机的P11口，单片机检测到P11口的电压变化后，内部定时器停止定时。假设定时器的时间为t 。如果再知道声波的传播速度c ，即可通过公式（一）求得超声波的探测距离：
S=ct/2 （一）
由于超声波的传播速度和温度有密切的关系，因此在系统中使用DS18B20进行温度补偿。假设测得的温度为T ，，则此时的 c＝（331.45＋0.61T ／℃）m•s-1 （其中331.45是在0度时声音在空气中的速度）。
三、 各部分电路图及说明
1、 方波产生及功率放大电路
方波产生及功率放大电路如图2所示。R11和Q1组成选通开关。ECHO 由主板单片机控制，用来控制发射探头的开或关。ECHO 为低电平时，Q1导通，电源给MAX232通电，否则断电。（注：开发的模块将三极管去掉了，max232电源端直接接5V ）。单片机的P35和P10组合产生40KHZ 方波，经过MAX232的功率放大，分别输出至超声波发射探头的两端T1OUT 和T2OUT 。超声波发射探头接收到40KHZ 的电信号后，将该电信号转换成40KHZ 的声音信号。
图2 方波产生及功率放大电路
2、LF442两级信号放大电路
LF442是高阻低功耗双运算放大器，其两级信号放大电路如图3所示。因为声音信号在空气中成指数级衰减，因此接收端接收到的声音信号很弱，经过接收探头转换后的电信号亦很弱，需要经过放大后，才能变成满足需要的信号。图中C11的作用是滤掉直流信号，消除干扰。放大倍数A=（-36/2.2）*（-36/2.2）
=268.
图3 LF442两级信号放大电路
3、LM311比较电路
LM311内部集成电压比较器，其外围电路如图4所示。当发射探头被关闭之后，由于偏正片的惯性作用，其振动不能立刻停止，此时发射探头将部分的机械能转换成电能，该电信号为交流信号。当该电信号为正时，此信号无法通过D2，电能由R12消耗。当该电信号为负时，电流经过C14和R10，经过D2和R12，C14和R10并联，可以很快的消除该电信号的的干扰，此设计在硬件上有效的避免了余波信号的干扰。 LF442经过两级放大后，输出端经过R3输入至LM311的2号脚（IN+），比较器负端（IN-）接等效地。
图4 LM311外围电路
四、 余波的产生及消除
余波的产生主要是由于压电式或者声电式传感器存在振荡惯性, 以及电路板上器件随通过电路板传播的超声波产生的机械振荡形成新的共振点。余波从发射探头和新振源经电路板传至接收探头, 由于传播路径短, 当超声波信号发射后, 信号总是存在着衰减震荡如图6, 这就叫做“拖尾”，即余波。余波与发射频率和传播媒介的性质有关, 一般在1ms ～2. 5ms, 在这段时间内, 余波信号与回波信号是无法区别开来的, 因此造成了盲区的存在, 而且这段时间的长短决定着盲区的大小。因此, 若要缩小盲区就要减小余波，减少发射脉冲数目（一般发射5个方波）、增加阻尼、在发射关闭后加快电信号的衰减（如图4）和软件延时都能够有效的减少余波干扰。
图6发射信号后的余波
五、波形跟踪和说明
1、单片机IO 口输出波形
图7 P11口输出波形
如图7所示，单片机P10口输出了频率为40KHZ ，5V 的方波5个（下方波形）。单片机P35口输出了频率为40KHZ ，电平与P10反相的波形（上方波形）。发射波形的时间间隔约为35ms 。
2、MAX232 7号脚（对应P10输出）波形
图9 MAX232 7号脚（对应P10输出）波形
MAX232 7号脚（对应P10输出）波形如图9所示，该波形峰值电压约为6V ，最小电压约为-9V 。
3、MAX232 14号脚（对应P35输出）波形
图10 MAX232 14号脚（对应P35输出）波形
MAX232 7号脚（对应P35输出）波形如图10所示，该波形峰值电压约为12V ，最小电压约为-5V 。CurA 与CurB 之间波形为探头偏振片的惯性产生，即余波，约长1ms 。
4、接收探头波形图
图11 接收探头两端波形图 5、接收探头经过电容滤直流后的波形
图12 接收探头经过电容滤直流后的波形
6、LF442一、二级放大后的波形
图13 LF442一、二级放大后的波形
图左端为图12波形经过LF442一级放大后的波形，图右端为图12波形经过LF442二级放大后的波形。
7、LM311 2号脚及3号脚（IN-）波形图
图14 LM311 3号脚（IN-）波形图
如图14所示，图右为LM311 2号脚波形图。图左为LM311 3号脚（IN-）波形图。IN-电压会突然下降，然后会很快的回到0V ，这是因为超声波探头的振荡惯性，在超声波探头被关断后，由压电效应产生的负电压引起IN-端的电压下降，又因为C14与R10并联，可以储能并很快消耗，所以又很快的回到了0V 。
8、LM311 7号脚（P11）波形
由LM311 输出后，将模拟信号转化为数字信号，供单片机识别。
图14 LM311 7号脚（P11）波形
六、超声波束图形
七、测量数据
不同方波数的数据比对：（用模块一测量）
模块一：（方波数为4）（474、348、173、45）
模块二：（方波数为4）（474、350、170、42）
模块五：（方波数为4）（470、348、171、44）