超声波传感器是移动机器人避障、测距常用传感器之一。传感器安装在机器人上时距离地面不能太近，太近容易产生干扰信号，而且容易将可以翻越的障碍物当成无法逾越的障碍物。传感器两探头间的距离不能太远也不能太近，太远测量误差过大，太近串扰信号过强。

1、超声波发射模块设计

外加信号频率等于两压电晶片的固有振动频率时，将会发生共振，课题中采用的超声波传感器中心频率为40kHz，因此在超声波发射电路中，通过软件编程方式，对单片机I/O口置高和置低，产生40kHz脉冲信号，输出到发射电路中。由于AT89S51单片机I/O口使用时能提供20mA灌电流能力，而吸电流能力较小，所以用74HC04来提高其输出电流的能力，保证40kHz的脉冲信号有一定的功率。超声波发射模块原理图如图所示。

2、超声波接收模块设计

如图所示，超声波接收处理电路采用集成电路CX20106. CX20106接收到与其中心频率相符的信号时， 7脚就输出低电平。 7脚输出的脉冲下降沿和红外传感器测距信号相与后接单片机中断口。

在超声波传感器的使用过程中，需考虑到以下八个问题：

1、压电式超声波传感器，在物理模型上，相当于一个平板电容器。这种传感器具有很高的内部阻抗。当作为接收器使用时，由于输出信号很小，不能直接由主控MCU进行处理，故需要在进入主控MCU之前进行阻抗变换和信号放大。其前置放大电路需具有较高的输入阻抗。一般在前端还会加入RC有源带通滤波器，以消除超声波传播过程中所受干扰信号的影响。

2、压电陶瓷晶片都有一个固定的谐振频率。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率只有与它的固有谐振频率一致时，超声波传感器才会有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。

3、在发射状态时，超声波感器的振荡波形要经过一段时间才能达到稳定状态。为使传感器充分振荡起来，需结合传感器的盲区距离，慎重选择发射脉宽，以使发射幅度达到最大值。

4、超声波传感器是有一定的波束角的。如果被探测物体处于合适的角度中，超声波传感器会获得正确的检测结果。但是，如果被测物体的角度有偏差，则传感器的测量结果中就会包含误差。其中可能会出现的误差有三角误差、镜面反射、多次反射等。

5、由于温度会对声波速度产生影响。要保证足够的测距精度，这也是要考虑的一个因素。在传感器设计中使用温度补偿功能，可以在环境温度缓慢改变时保持稳定的性能。但是，在环境温度快速变化时，传感器性能仍会受到很大影响。

6、多数超声波传感器的工作频率为40-45Khz，远远超出人耳能够听到的频率范围。但是周围环境有时也会产生类似频率的噪音。这些噪声会影响超声波传感器的测量结果。这时，可以通过对发射的超声波进行编码来解决，比如发射一组长短不同的音波，只有当探测头检测到相同组合的音波时，才进行距离计算。这样就可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读。

7、当多个超声波传感器一起工作时，由于声波的反射，也会对测量结果的准确性产生影响，这是需要注意的。通过对超声波传感器的安放位置及其本身的性能指标进行仔细的设计，这种影响是可以消除的。

8、被测物体的大小，也会对超声波传感器的探测能力有一定的影响。一般来说，对同一个超声波传感器来说，被测物体的体积越大，则反射的超声回波也越大，相应的探测距离就会越远。反之，被测物体较小时，则超声波传感器的探测距离也会比较近。