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The distance d is computed by the formula d?v?t/2 Since the sound waves travel twice the distance between the source and the subject, the actual distance between the source and the subject will be d/2.
2 Circuit Description
The devices used to transmit and receive the ultrasonic sound waves in this application are 40-kHz ceramic ultrasonic transducers. AVR ATMEGA16 drives the transmitter transducer with 40-kHz square-wave signal derived from the crystal oscillator, and the receiver transducer receives the echo. The Timer1in the AVR is configured to count the 40-kHz crystal frequency such that the time measurement resolution is 25 μs, which is more than adequate for this application. The measurement time base is very stable as it is derived from a quartz-crystal oscillator. The echo received by the receiver transducer is amplified by an operational amplifier and the amplified output is fed to the Comparator_A input. The Comparator_A senses the presence of the echo signal at its input and triggers a capture of Timer_A count value to capture compare register timer1. The capture is done exactly at the instant the echo arrives at the system. The captured count is the measure of the time taken for the ultrasonic burst to travel the distance from the system to the subject and back to the system. The distance in inches from the system to the subject is computed by the AVR ATMEGA16 using this measured time and displayed on a two-digit static LED. Immediately after updating the display, the AVR goes to sleep mode to save power. The circuit schematic diagram of this application.
The output drive circuit for the transducer is powered directly from the 9-V battery and provides drive to the ultrasonic transmitter. The is achieved by a bridge configuration with hex inverter gates CD4049. One inverter gate is used to provide a 180-degrees phase-shifted signal to one arm of the driver. The other arm is driven by the in-phase signal. This configuration doubles the voltage swing at the output and provides the required to the transmitter transducer. Two gates are connected in parallel so that each arm can provide adequate current drive to the transducer. Capacitors block the dc to the transducer. Since the CD4049 operates on 9-V and the AVR ATMEGA16 operates on a VCC of 5 V, there is a logic
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level mismatch between the AVR ATMEGA16 and the output driver circuit. Bipolar transistor acts as a logic-level shifter between these two logic levels.
Operational amplifier NPN is made of by Circuit ,This amplifier has a high-gain bandwidth and provides sufficiently high gain at 40 kHz. The amplified ultrasonic signal swings above and below this virtual midrail. provides selectivity and rejection of unwanted frequencies other than 40kHz. The output of the operational amplifier is connected to the ComparatorLM393 input of the ATMEGA16 via port pin INT0. The Comparator LM393 reference is internally selected to be 0.5VCC. When no ultrasonic echo is received, the voltage level at CA0 is slightly lower than the reference at LM393. When an echo is received, the voltage level increases above the reference and toggles the Comparator LM393 can be fine-tuned for the required sensitivity and the measurable range can be optimized and give the single to the ATMEGA16.
Based on the comprehension of measuring distance principle by ultrasonic, the paper completes an hardware design which based on time difference measuring distance theory , In order to improve the measurement accuracy and system stability further, we add a temperature sensor in the hardware design and adopt the improved method which combines sound velocity presetting with medium temperature measurement to mend the sound velocity. By this means, the influence of temperature variation on distance measurement is decreased.
Keywords: distance-measuring system based on ultrasonic AVR atmega16 DS18B20
第一章：超声波测距原理论述
1.1 超声波介绍
超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。超声波因其可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播，可传递很强的能量，产生反射、干涉、叠加和共振现象。在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应，包括以下4种效应：
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①机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波流体介质中形成驻波时 ,悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化（见电介质物理学和磁致伸缩）。
②空化作用。超声波作用于液体时可产生大量小气泡 。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。
③热效应。由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。
④化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变 。
超声应用 超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面：
①超声检验。超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术 。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超
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声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已（见全息术）。用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重显像，通常用摄像机和电视机作实时观察。
②超声处理。利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化 、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。
③基础研究。超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程，并在宏观上表现出对声波的吸收（见声波）。通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。普通声波的波长远大于固体中的原子间距，在此条件下固体可当作连续介质 。但对频率在1012赫兹以上的特超声波 ，波长可与固体中的原子间距相比拟，此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵结构。点阵振动的能量是量子化的 ，称为声子（见固体物理学）。特超声对固体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。对固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究，以及量子液体——液态氦中声现象的研究构成了近代声学的新领域。
人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用“声呐”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等。此时人们向水中发出一系列不同频率的超声波，然后记录与处理反射回声，从回声的特征我们便可以估计出探测物的距离、形态及其动态改变。医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描脑部结构；以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。如今超声波扫描技术已成为现代医学诊断不可缺少的工具。作为一种成熟的技术，超声波的应用已经走进人类息息相关的生活中，是为不可或缺的工具。 1.2 超声波测距系统概述
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当今社会科技日益发展，自动化控制在很多很多产业得到了全面的应用，自动化的测量方法也成了一个重要的方面，测量方法有很多种，例如红外测距，超声波测距等都得到了很好的应用，在科学研究工程实践中，经常会遇到非接触测量距离的问题。利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些没有目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波（20KHZ以上的机械波），借助空气媒介传波，由障碍物反射回来的时间间隔长短与被发射的超声波的强弱判断障碍物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度相对于光速来说要小的多，其传波时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类利用仿真技能进行超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法，在日常生活中具有广泛的用途。例如：用人造超声源在海水里发射，由回射超声波进行探测海洋潜艇位置、 鱼群以及确定海底的暗礁等障碍物形状及远近。利用人造超声波在固体里传播的时间确定物体的长度以及超声波在固体里遇到障碍物界面上的反射波来确定物体内部损伤（如裂缝、气孔及杂质等）位置，即无损探伤。在现代社会中，超声波已经融入我们的生活，例如超声波洗衣机，超声波趣闻器，超声波探测器等，超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差，然后计算出相应的距离。超声波测距系统由于不受光线、电磁波、粉尘等的影响，其精度能达到厘米数量级甚至毫米级的工程测距精度等的优点，在桥梁、隧道、涵洞等的距离检测中占有一定的优势。
在日常车道保障与维护过程中，工程车、充气车、电源车、加油车等诸多车辆常常需要在停车坪附近穿行、掉头或倒车。由于这些低速行驶的车辆之间非常接近，驾驶员的视野颇受限制，碰撞事故时有发生，在夜晚时则更显突出。利用超声波测距系统，可以有效地提高车辆在保障和维护过程中的安全性和可靠性。随着生活水平的不断提高，汽车进入家庭的消费意识的不断增强。中国城市汽车的保有量迅速增加。随之而来的是交通事故与日俱增，城市里尤其突出。发展智能交通系统是二十一世纪交通运输的重要发展方向。智能交通系统在充分发挥现有基础设施的潜力，提高运输效率。保障交通安全，缓解交通堵塞，改善城市环境等方面的卓越效能，已得到各级政府的广泛关注。我国政府也开始高度重视智能交通系统的研究开发与推广应用。因此智能型的测距系统的开发应用与汽车领域将起到非常大的作用，将有效地缓解交通压力，减少交通事故的发生率。 超声波测距系统的应用不仅仅大大减轻了测距人员的工作强度，对许多常规测
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