基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)

馮學(xué)齊

[摘要]介紹并設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)。該系統(tǒng)以超聲波的傳播速度為確定條件，利用發(fā)射超聲波與反射回波時(shí)間差來(lái)測(cè)量待測(cè)距離。概述超聲波檢測(cè)的基本原理。并且在介紹超聲測(cè)距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出系統(tǒng)的總體構(gòu)成。

[關(guān)鍵詞]超聲波測(cè)距系統(tǒng)單片機(jī)

中圖分類號(hào)：059文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671—7597(2009)0210030－01

一、引言

目前，非接觸式測(cè)距儀常采用超聲波、激光和雷達(dá)。但激光和雷達(dá)測(cè)距儀造價(jià)偏高，不利于廣泛的普及應(yīng)用，在某些應(yīng)用領(lǐng)域有其局限性，一般僅用于軍事工業(yè)。相比之下，超聲波測(cè)距系統(tǒng)電路易實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和造價(jià)低，且超聲波在傳播過(guò)程中不受煙霧、空氣能見度等因素的影響對(duì)外界光線、色彩和電磁場(chǎng)不敏感，更適于黑暗、電磁干擾強(qiáng)、有毒、灰塵或煙霧的惡劣環(huán)境，在識(shí)別透明及漫反射性差的物體上也更有優(yōu)勢(shì)。所以超聲波測(cè)距在各種場(chǎng)合均得到廣泛應(yīng)用，如倒車防撞雷達(dá)、海洋測(cè)量、物體識(shí)別、工業(yè)自動(dòng)控制，建筑工程測(cè)量和機(jī)器人視覺識(shí)別。

二、系統(tǒng)原理

超聲波測(cè)距的方法有多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間檢測(cè)法等。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限；聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響，故本系統(tǒng)采用超聲波渡越時(shí)間檢測(cè)法。其原理為：檢測(cè)從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，即渡越時(shí)間。渡越時(shí)間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。該距離的計(jì)算公式如下：

d＝s/2＝vt/2

其中：d為被測(cè)物與測(cè)距器的距離；s為聲波的來(lái)回路程；v為聲速；t為聲波來(lái)回所用時(shí)間。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距系統(tǒng)包括單片機(jī)系統(tǒng)，超聲波發(fā)射電路，超聲波檢測(cè)接收電路，數(shù)碼管顯示電路四部分。綜合各方面因素，本系統(tǒng)采有AT89S52單片機(jī)為主控制器。由單片機(jī)的晶振電路產(chǎn)生4MHz方波信號(hào)，經(jīng)分頻器分頻輸出40kHz的驅(qū)動(dòng)信號(hào)給超聲波發(fā)射器T，使發(fā)射器起振發(fā)出超聲波。同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)的計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)。超聲波信號(hào)在空氣中傳播至障礙物后產(chǎn)生反射，反射回波被超聲波接收器R接收，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)脈沖，經(jīng)放大，濾波，比較，整形后，輸入到外部中斷口產(chǎn)生中斷，計(jì)數(shù)器停止，通過(guò)，計(jì)數(shù)器的脈沖個(gè)數(shù)就能算出渡越時(shí)間大小，從而求出間距d。數(shù)碼管顯示電路用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)。

如圖1所示為超聲測(cè)距系統(tǒng)總體電路圖，發(fā)射部分采用三極管S9013作為功率放大電路，以提供足夠的輸出功率，一般情況下，不要求功率放大電路提供很大的電壓放大倍數(shù)。所以用升壓變壓器產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)探頭。功率放大電路輸出給負(fù)載的功率是由電路中的直流電源提供的，在輸入信號(hào)的控制下，將直流電源的直流功率轉(zhuǎn)換成為負(fù)載所需要的交流功率。

超聲波檢測(cè)電路采用集成芯片CX20106A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，它由前置放大器，限幅放大器路，帶通濾波電路，峰值檢波器，波形整形電路等組成。它常用的載波頻率38khz與測(cè)距超聲波頻率40khz較為接近，可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路。超聲波接受換能器收到超聲波時(shí)，通過(guò)共振板壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化電信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)CX20106A濾波，放大，整形送到單片機(jī)。

LED顯示器為簡(jiǎn)單實(shí)用的4位共陰LED數(shù)碼管，采用動(dòng)態(tài)掃描法。P2口作為位掃描口，PO口作為段數(shù)據(jù)口，經(jīng)2K排阻直接驅(qū)動(dòng)顯示器。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距軟件采用匯編語(yǔ)言編程，其具有較高的效率并且容易精確計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間。主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器TOI作模式為16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并給顯示端口PO和P2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲0.1ms(這也就是測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因)后才打開外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用12MHz的晶振，機(jī)器周期為1us，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器TO中的數(shù)按式(2)計(jì)算即可測(cè)得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離：

d＝CTO/2(其中TO為計(jì)數(shù)器TO的計(jì)數(shù)值)

(2)

測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD送往LED，顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。

五、系統(tǒng)性能及誤差分析

設(shè)測(cè)量設(shè)備基準(zhǔn)確面距被測(cè)物距離為h，則空氣傳播的超聲波波動(dòng)方程為：A＝A(h)cos(ωt＋kt)＝Aê^-2atcos(ωt＋kt)

(3)

由(3)式知超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于超聲波的指向性，測(cè)量環(huán)境對(duì)超聲波測(cè)距測(cè)量精度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比收發(fā)時(shí)間的影響嚴(yán)重。超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。因此，利用超聲波測(cè)量距離，就要考慮這些因素。實(shí)際情況下，溫度每升高或下降I'C，聲速將增加或減少0.607m/s，這個(gè)影響對(duì)于較高精度的測(cè)量是相當(dāng)嚴(yán)重的。因此提高超聲波測(cè)量精度的重中之重就是獲得準(zhǔn)確的聲速。聲波傳播過(guò)程中，聲壓的幅度由于媒質(zhì)中聲吸收而衰減，聲強(qiáng)隨頻率增高衰減增加，在給定的頻率時(shí)衰減是濕度的函數(shù)。產(chǎn)生最大衰減時(shí)的濕度值視頻率而不同。

當(dāng)超聲波波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)是垂直入射垂直反射時(shí)，測(cè)量距離才是精確的，但實(shí)際情況下，超聲波波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)有一定的入射角，使測(cè)量結(jié)果比實(shí)際測(cè)量距離偏大。

六、結(jié)束語(yǔ)

本課題論述超聲波測(cè)距系統(tǒng)的基本原理，測(cè)量計(jì)算方法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方案容易。采用軟件控制，提高了測(cè)量精度和整機(jī)的可靠性。通過(guò)超聲波換能器和LED數(shù)碼管可以測(cè)量和顯示0.01～12.00m內(nèi)的物體距離，分辨率可達(dá)到0.01m。這種測(cè)距系統(tǒng)可用于物面和液面測(cè)量，汽車倒車報(bào)警裝置。硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，可以嵌入到其他系統(tǒng)中。