超聲波測距儀的制作

周　彪

[摘要]設計一種基于AT89S51單片機的超聲波測距電路，實現超聲波點對點的測量，并采用DS18820測溫，減小溫度對超聲波傳播速度的影響。

[關鍵詞]單片機超聲波測距溫度補償

中圖分類號：TN98文獻標識碼：A文章編號：1671-7597(2009)0610013-01

一、引言

超生波技術是一門以物理、電子、機械及材料學為基礎的通用技術之一。它是通過超聲波產生、傳播及接收的物理過程而完成的。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量。

二、超聲波測距的基本原理

超聲波發生器在某一時刻發出超聲波信號，當超聲波遇到被測物體后反射回來，測出超聲波信號從發射到接收到回波信號的時間，利用超聲波在介質中的傳播速度，就可以計算出被測物體的距離：

d=v×t／2(1)

其中，d為被測物體到測距儀之間的距離，v為超聲波在介質中的傳播速度，t為超聲波從發射到接收所用的時間。為了提高精度，需要考慮不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關系：

v=33114+0161T(2)

式中：T為實際溫度(℃)，v為超聲波在介質中的傳播速度(m／s)。

三、超聲波測距系統的設計

(一)整體方案設計。本文主要采用單片機控制技術，實現精確的超聲波測距方案，整個系統由超聲波收發單元、波形校準單元、溫度測量單元、顯示單元和控制單元5個單元組成。其中，超聲波收發單元主要實現超聲波的接發送和接收；信號處理單元主要實現去除干擾、波形整形、鎖相環等功能，便于實現準確計時；溫度測量單元主要測量外界溫度，實現溫度補償：顯示單元實現測量數據的顯示：單片機為控制單元，完成指令發送，接收數據，進行計算等任務。

(二)單片機控制與顯示模塊。單片機選用AT89S51單片機，ATMEL的AT89S51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且廉價的方案。它的外部引腳多，程序存儲容量大，同時也具有內部

定時、計數和全雙工串口。AT89S51的最大計數分辨率為振蕩器頻率的1／12，對于12MHz晶振來說，距離不確定度約為1mm，因此滿足本設計要求。此單片機響應快，壽命長，性能穩定，功耗低，價格低廉。使用數碼管LG50118SR作為顯示部分，其功耗低，操作簡單，體積小。

(三)超聲波發射電路。超聲波發射器包括超聲波產生電路和超聲波發射控制電路兩部分，由功率放大電路和超聲波發射傳感器組成。超聲波探頭的型號選用CSB40T，利用軟件產生的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅動器。經驅動器驅動后推動探頭產生超聲波。通過空間向外傳播出去。

(四)超聲波接收部分。超聲波接收部分采用集成芯片CX20106A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片。內部電路由前置放大器、自動偏置電平控制電路、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和整形輸出電路組成。可以利用它作為超聲波檢測電路。接收的回波信號先經過前置放大器和限幅放大器，將信號調整到合適的幅值；再經過帶通濾波器濾波得到有用信號，濾除干擾信號；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環路，實現準確的計時。

(五)溫度測量部分。DS18B20數字溫度計是DALLAS公司生產的12Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統，具有線路簡單，將其數據線與單片機的P1.7相連，就可以實現溫度測量。測量的溫度精度可以達到0.1℃，測量的溫度的范圍在一20～+100℃。

四、系統的程序設計

在程序設計過程中一般有四個步驟：初始化命令：傳送ROM命令：傳送RAM命令；數據交換命令。在系統安裝及工作之前，應將主機與DS18820掛接。其工作過程為：主機發出一個脈沖，待“0”電平大于480μs后，復位DS18820，在DS18820所發響應脈沖由主機接收后，主機再發讀ROM命令代碼33H，然后發一個脈沖(15μs)，并接著讀取DS18820序列號的一位。用同樣方法讀取序列號的56位。另外，由于DS18820單線通信功能是分時完成的，遵循嚴格的時隙概念，因此，系統對DS18820和各種操作必須按協議進行，即初始化DS18820(發復位脈沖)一發ROM功能命令一發存儲器操作命令一處理數據。在正常測溫情況下，DSl8820的測溫分辨力為0.5℃。采用下述方法可獲得高分辨率的溫度測量結果：首先用DSISB20提供的讀暫存器指令(BEH)讀出以0.5℃為分辨率的溫度測量結果，然后切去測量結果中的最低有效位(LSB)，得到所測實際溫度的整數部分Tz，然后再用BEH指令取計數器1的計數剩余值Cs和每度計數值CD。考慮到DS18B20測量溫度的整數部分以0.25和0.75℃為進位界限的關系。

該系統的主程序處于鍵控循環工作方式，當按下測量鍵時，主程序開始調用發射子程序、查詢接收子程序、定時子程序，并把測量結果用顯示子程序在數碼顯示器上顯示出來。

五、結論

應用本系統15mm～5m內的目標做了多次測量，其最大誤差為1.5mm，且重復性好，可以用于實際使用。可見基于單片機設計的超聲波測距系統具有結構簡單、功耗低、易于操作、靈活性高的特點外，還具有操作方便、運行可靠的優點，它有良好的人機界面，能方便地實時顯示測距數據。