人耳只能感觉到大约20000 Hz的声波，频率更高的声波就是超声波了。超声波广泛地应用在多种技术中。超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播。它的应用就是按照这两个特点展开的。理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比。超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度。这就是超声波加湿器的原理。对于咽喉炎、气管炎等疾病，药力很难达到患病的部位，利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够增进疗效。利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎。金属零件、玻璃和陶瓷制品的除垢是件麻烦事，如果在放有这些物品的清洗液中通入超声波，清洗液的剧烈振动冲击物品上的污垢，能够很快清洗干净。我们在墙的一侧说话，另一侧的人也能听到，这说明声波能够绕过障碍物，如图6所示。但是，波长越短，这种绕射现象越不明显。因此，超声波基本上是沿直线传播的，可以定向发射。如果渔船载有水下超声波发生器，它旋转着向各个方向发射超声波，超声波遇到鱼群会反射回来，渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了。这种仪器叫做声纳，声纳也可以用来探测水中的暗礁、敌人的潜艇，测量海水的深度。

　　超声波测距的基本原理

　　超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：s=340t/2 .这就是所谓的时间差测距法。

　　超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

　　测距的公式表示为：L=C×T

　　式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差（T为发射到接收时间数值的一半）。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的往往只能达到厘米数量级。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高超声波测距仪能达到毫米级的测量。

　　压电式超声波传感器的原理

　　目前，超声波传感器大致可以分为两类：一类是用电气方式产生的超声波，一类是用机械方式产生的超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。在工程中，目前较为常用的是压电式超声波传感器。

　　压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。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，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，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器了。

　　反射式超声波测距仪的硬件电路设计

　　本系统硬件电路由单片机系统、温度补偿电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路构成，如图1所示。

　　本超声波测距仪的具体工作过程如下，在单片机产生复位信号后，由MC9S12DG128B产生一个控制信号，控制外围电路产生40kHz的超声波，经整形放大后加到超声波换能器发射出频率为40kHz的超声波。同时，计数MC9S12DG128B内部的定时器，测量超声波信号从发出到接收所花的时间，并把经超声波换能器R接收到的超声波信号放大、滤波、整形，并作为接收信号来启动定时器的输入捕捉功能，完成超声波测距的时间操作。同时，由温度传感器DS18B20测得当前的环境温度，读入单片机，然后经其处理，在液晶显示屏上显示相应的测量值以及当前温度。

　　微控制器MC9S12DG128B

　　MC9S12DG128B是飞思卡尔公司推出的S12控制器中的一款16位微控制器。其集成度高，片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等，在FLASH存储控制及加密方面有较强的功能。

　　MC9S12DG128B微控制器采用增强型16位S12 CPU，片内总线时钟频率可达25MHz；片内资源包括8kB RAM、128kB FLASH、2kB EEPROM、SCI、SPI及PWM串行接口模块；PWM模块可设置成4路8位或2路16位，可宽范围选择时钟频率；它还提供2个8路10位A/D转换器、控制器局域网CAN和增强型捕捉定时器，并支持背景调试模式（BDM）。

　　超声波的发射电路

　　超声波发射电路一般由超声波反射器T、40kHz的超音频振荡器、驱动（或激励）电路等组成，本设计利用门电路产生40kHz的超声波，组成的超声波发射电路见图2。

　　图中，与非门74LS00和LM386组成超声波发射电路，用74LS00构成多谐振荡器，通过调节20k的电位器，可产生超声波发射的40kHz信号，其中U3A为驱动器，电路振荡频率f≈1/2.2RC，单片机的控制信号由U2A输入。为增大超声波的发射频率，本设计利用了单运放LM386，发射距离可达4m。

　　超声波的接收电路

　　超声波接收电路如图3所示。接收头采用与发射头配对的超声波接收器R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号。为了进行信号的整形，在设计中的CMOS电平的6非门芯片CD4069，可以减少电路的复杂程度，提高电路的带负载能力。整形后的信号由C1耦合给带有锁定环的音频译码集成块LM567的输入端3脚，当输入信号的幅度落在其中心频率上时，LM567的逻辑输出端8脚由高电平跃变为低电平。

　　DS18B20温度补偿电路

　　根据上文中式（2）可知，温度对声速的影响较大，若不进行补偿，将会带来测量误差，为了提高系统的测量，设计了温度补偿电路。系统采用数字温度传感器DS18B20来采集温度，DS18B20是美国DALLAS公司生产的1-wire总线串行数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、抗干扰能力强、易于与微处理器接口等优点，适合于各种温度测控系统。它的测量温度范围为-55℃~+125℃，可达0.0675℃，转换时间为200ms。

　　数字式温度传感器和模拟温度传感器的区别是：将温度信号直接转化成数字信号，然后通过串行通信的方式输出。因此掌握DS18B20的通信协议是使用该器件的关键。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲时隙；写“0”、读“1”时隙，读“0”、读“1”时隙。初始化后，传感器输出两个字节的温度，进行数据处理后得到实际温度的值，利用式（2）可计算补偿声速。

　　液晶显示电路

　　字符点阵系列模块是一类专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型显示模块。分4位和8位数据传输方式。它提供5×7点阵+光标和5×10点阵+光标的显示模式。提供显示数据缓冲区DDRAM、字符发生器CGROM和字符发生器CGRAM，可以使用CGRAM来存储自己定义的多8个5×8点阵的图形字符的字模数据。它提供了丰富的指令设置：清显示，光标回原点，显示开/关，光标开/关，显示字符闪烁，光标移位，显示移位等。提供内部上电自动复位电路，当外加电源电压超过+4.5V时，自动对模块进行初始化