人耳只能感覺到大約20000 Hz的聲波，頻率更高的聲波就是超聲波了。超聲波廣泛地應用在多種技術中。超聲波有兩個特點，一個是能量大，一個是沿直線傳播。它的應用就是按照這兩個特點展開的。理論研究表明，在振幅相同的情況下，一個物體振動的能量跟振動頻率的二次方成正比。超聲波在介質中傳播時，介質質點振動的頻率很高，因而能量很大。在我國北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動會使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風扇把霧滴吹入室內，就可以增加室內空氣濕度。這就是超聲波加濕器的原理。對于咽喉炎、氣管炎等疾病，藥力很難達到患病的部位，利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠增進療效。利用超聲波的巨大能量還可以把人體內的結石擊碎。金屬零件、玻璃和陶瓷制品的除垢是件麻煩事，如果在放有這些物品的清洗液中通入超聲波，清洗液的劇烈振動沖擊物品上的污垢，能夠很快清洗干凈。我們在墻的一側說話，另一側的人也能聽到，這說明聲波能夠繞過障礙物，如圖6所示。但是，波長越短，這種繞射現象越不明顯。因此，超聲波基本上是沿直線傳播的，可以定向發射。如果漁船載有水下超聲波發生器，它旋轉著向各個方向發射超聲波，超聲波遇到魚群會反射回來，漁船探測到反射波就知道魚群的位置了。這種儀器叫做聲納，聲納也可以用來探測水中的暗礁、敵人的潛艇，測量海水的深度。

　　超聲波測距的基本原理

　　超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據計時器記錄的時間t,就可以計算出發射點距障礙物的距離（s），即：s=340t/2 .這就是所謂的時間差測距法。

　　超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發射后遇到障礙物反射回來的時間，根據發射和接收的時間差計算出發射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。

　　測距的公式表示為：L=C×T

　　式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差（T為發射到接收時間數值的一半）。超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業現場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的往往只能達到厘米數量級。由于超聲波易于定向發射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量，但是目前國內的超聲波測距專用都是只有厘米級的測量。通過分析超聲波測距誤差產生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們設計的高超聲波能達到毫米級的測量。

　　壓電式的原理

　　目前，超聲波傳感器大致可以分為兩類：一類是用電氣方式產生的超聲波，一類是用機械方式產生的超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。在工程中，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。

　　壓電式超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發生器內部結構如圖1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。

　　反射式超聲波測距儀的硬件電路設計

　　本系統硬件電路由系統、溫度補償電路、超聲波發射電路、超聲波接收電路、顯示電路構成，如圖1所示。

　　本超聲波測距儀的具體工作過程如下，在單片機產生復位信號后，由MC9S12DG128B產生一個控制信號，控制外圍電路產生40kHz的超聲波，經整形放大后加到超聲波發射出頻率為40kHz的超聲波。同時，計數MC9S12DG128B內部的定時器，測量超聲波信號從發出到接收所花的時間，并把經超聲波換能器R接收到的超聲波信號放大、濾波、整形，并作為接收信號來啟動定時器的輸入捕捉功能，完成超聲波測距的時間操作。同時，由溫度傳感器DS18B20測得當前的環境溫度，讀入單片機，然后經其處理，在液晶顯示屏上顯示相應的測量值以及當前溫度。

　　微控制器MC9S12DG128B

　　MC9S12DG128B是飛思卡爾公司推出的S12控制器中的一款16位微控制器。其集成度高，片內資源豐富，接口模塊包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等，在FLASH存儲控制及加密方面有較強的功能。

　　MC9S12DG128B微控制器采用增強型16位S12 CPU，片內總線時鐘頻率可達25MHz；片內資源包括8kB RAM、128kB FLASH、2kB EEPROM、SCI、SPI及PWM串行接口模塊；PWM模塊可設置成4路8位或2路16位，可寬范圍選擇時鐘頻率；它還提供2個8路10位A/D轉換器、控制器局域網CAN和增強型捕捉定時器，并支持背景調試模式（BDM）。

　　超聲波的發射電路

　　超聲波發射電路一般由超聲波反射器T、40kHz的超音頻振蕩器、驅動（或激勵）電路等組成，本設計利用門電路產生40kHz的超聲波，組成的超聲波發射電路見圖2。

　　圖中，與非門74LS00和LM386組成超聲波發射電路，用74LS00構成多諧振蕩器，通過調節20k的電位器，可產生超聲波發射的40kHz信號，其中U3A為驅動器，電路振蕩頻率f≈1/2.2RC，單片機的控制信號由U2A輸入。為增大超聲波的發射頻率，本設計利用了單運放LM386，發射距離可達4m。

　　超聲波的接收電路

　　超聲波接收電路如圖3所示。接收頭采用與發射頭配對的超聲波接收器R，將超聲波調制脈沖變為交變電壓信號。為了進行信號的整形，在設計中的CMOS電平的6非門芯片CD4069，可以減少電路的復雜程度，提高電路的帶負載能力。整形后的信號由C1耦合給帶有鎖定環的音頻譯碼集成塊LM567的輸入端3腳，當輸入信號的幅度落在其中心頻率上時，LM567的邏輯輸出端8腳由高電平躍變為低電平。

　　DS18B20溫度補償電路

　　根據上文中式（2）可知，溫度對聲速的影響較大，若不進行補償，將會帶來測量誤差，為了提高系統的測量，設計了溫度補償電路。系統采用數字溫度傳感器DS18B20來采集溫度，DS18B20是美國DALLAS公司生產的1-wire總線串行數字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、抗干擾能力強、易于與微處理器接口等優點，適合于各種溫度測控系統。它的測量溫度范圍為-55℃~+125℃，可達0.0675℃，轉換時間為200ms。

　　數字式溫度傳感器和模擬溫度傳感器的區別是：將溫度信號直接轉化成數字信號，然后通過串行通信的方式輸出。因此掌握DS18B20的通信協議是使用該器件的關鍵。該協議定義了幾種信號類型：復位脈沖、應答脈沖時隙；寫“0”、讀“1”時隙，讀“0”、讀“1”時隙。初始化后，傳感器輸出兩個字節的溫度，進行數據處理后得到實際溫度的值，利用式（2）可計算補償聲速。

　　液晶顯示電路

　　字符點陣系列模塊是一類專門用于顯示字母、數字、符號等的點陣型顯示模塊。分4位和8位數據傳輸方式。它提供5×7點陣+光標和5×10點陣+光標的顯示模式。提供顯示數據緩沖區DDRAM、字符發生器CGROM和字符發生器CGRAM，可以使用CGRAM來存儲自己定義的多8個5×8點陣的圖形字符的字模數據。它提供了豐富的指令設置：清顯示，光標回原點，顯示開/關，光標開/關，顯示字符閃爍，光標移位，顯示移位等。提供內部上電自動復位電路，當外加電源電壓超過+4.5V時，自動對模塊進行初始化