談超聲波測(cè)距儀硬件系統(tǒng)中的單片機(jī)系統(tǒng)

新亞歐大陸橋國(guó)際信息中心 孔德華

一、概述

超聲波測(cè)距儀由于其非接觸式測(cè)量的特點(diǎn)，受被測(cè)對(duì)象顏色等因素的影響較小，并且能適應(yīng)被測(cè)物體處于黑暗、灰塵、煙霧、電磁干擾等惡劣環(huán)境。由此超聲波的測(cè)距儀在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)檢查以及日常生活中得到了廣泛的使用。通過對(duì)基于單片機(jī)的脈沖反射式超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了以空氣超聲波的傳播速度為確定的條件，并應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)對(duì)超聲波在空氣中的傳播時(shí)間以及傳播速度進(jìn)行測(cè)量，再將相應(yīng)的時(shí)間和速度的值相乘得到距離。

基于單片機(jī)的超聲波系統(tǒng)主要包括單片機(jī)的控制系統(tǒng)、超聲波的發(fā)射電路以及接收電路、溫度補(bǔ)償電路以及顯示電路等。超聲波的波速受到了溫度的影響，由此在相應(yīng)的電路之間產(chǎn)生了一定的干擾。傳統(tǒng)超聲波的測(cè)量精度不高，為有效提高超聲波測(cè)距儀的精度，在測(cè)距系統(tǒng)中，通過CX2O 1O6A和DS18B2O集成芯片在檢波接收電路和溫度補(bǔ)償電路的的使用，減少了電路之間的干擾，從而減少了測(cè)距儀的電噪聲。經(jīng)過相應(yīng)改造和完善后的超聲波測(cè)距儀具有較高的精度，其測(cè)距的范圍在O.24～6m，最大測(cè)量誤差不大于3cm。經(jīng)過設(shè)計(jì)的超聲波設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)，工作穩(wěn)定可靠，流程相對(duì)清晰以及具有較高的精度的優(yōu)勢(shì)，并實(shí)現(xiàn)了距離的實(shí)時(shí)顯示。

檢測(cè)技術(shù)的不斷深入發(fā)展對(duì)超生檢測(cè)儀器設(shè)備功能要求越發(fā)提高，單數(shù)碼顯示的超聲波測(cè)量?jī)x將帶來較大的檢測(cè)誤差。從而對(duì)超聲波測(cè)量?jī)x的功能提出了要求，相應(yīng)的超聲波測(cè)距儀應(yīng)具有雙顯以及微處理功能。傳統(tǒng)的測(cè)距方式在較為特殊的測(cè)量場(chǎng)合存在難以克服的缺陷，例如在液面、井下測(cè)量等特殊的測(cè)量場(chǎng)合下，相應(yīng)的超聲波的測(cè)量將受到較大的限制。由此，基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)踐價(jià)值。

二、超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波在發(fā)射后遇到障礙物所反射回波，并且測(cè)量出從回波發(fā)射到接收的時(shí)間差，從而得到距離。超聲波幅度、反射物的質(zhì)地、反射和入射超聲波之間形成的夾角以及接收器的靈敏程度都將對(duì)超聲波系統(tǒng)的最大測(cè)距產(chǎn)生影響。而最小可測(cè)距離則受到接收換能器對(duì)聲波脈沖的接收的直接影響。為擴(kuò)大相應(yīng)系統(tǒng)和設(shè)備所能測(cè)量的范圍，減少系統(tǒng)測(cè)量誤差，在具體的測(cè)量中，可采用多個(gè)超聲波換能器作為發(fā)射或接收超聲波的方式提高測(cè)量精度。當(dāng)測(cè)距系統(tǒng)所發(fā)射的超聲波從空氣中直接射入汽油、木材以及鋼材時(shí)，能產(chǎn)生全反射。由此，相應(yīng)的反射回波將具有足夠的能量被探頭接收，為超聲波的測(cè)距奠定了良好的基礎(chǔ)。

相應(yīng)的試驗(yàn)表明，超聲波的測(cè)距是通過超聲波發(fā)射傳感器向某一方發(fā)射超聲波，在超聲波的發(fā)射同時(shí)計(jì)時(shí)開始，超聲波在空氣中傳播，當(dāng)遇到障礙物則返回，系統(tǒng)的超聲波接收器在收到回波則計(jì)時(shí)停止。常溫狀況下超聲波在空氣中的傳播速度為C=34Om/s，根據(jù)系統(tǒng)所記錄的時(shí)間，則可計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)障礙物的距離，也就是：s=c*t/2=c*tO(tO就是渡越時(shí)間)。

三、超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體方案

基于上述超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，實(shí)際上是利用4OkHz的方波，在經(jīng)過了發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路的擴(kuò)大后，使超聲波的傳感器發(fā)生震蕩，并發(fā)射超聲波。在超聲波發(fā)射回來后，在由傳感器接收，經(jīng)過電路放大、整形以及單片機(jī)的響應(yīng)，計(jì)算出相應(yīng)的距離。由此，該超聲波測(cè)距系統(tǒng)選用4OKHz的超聲傳感器，包括超聲波的接收傳感器SZWR4O-1OP和發(fā)射傳感器SZW-S4O-12M。

單片機(jī)在設(shè)計(jì)中的任務(wù)在于以單片機(jī)為核心，構(gòu)建硬件以及軟件部分構(gòu)成，以一定的外圍電路為配置，實(shí)現(xiàn)了具體的功能，并完成一定的任務(wù)。硬件是超聲波測(cè)距系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而軟件則在于以硬件為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)資源的合理配置和使用，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所應(yīng)完成的功能的基礎(chǔ)。系統(tǒng)的任務(wù)不同，其配置的軟件也將不同。

MC68HC9O8GP32單片機(jī)是Motorola公司的第2代8位微控制器，具有較高的性價(jià)比，由此適用于中小型的MCU開發(fā)商以及生產(chǎn)商。這類MCU的指令集精簡(jiǎn)，使用戶易于掌握。相應(yīng)的內(nèi)部硬件資源包括：片內(nèi)3O7字節(jié)的監(jiān)控ROM，32KB的片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器和512B RAM，33根通用的I/O引腳，2個(gè)16位的雙通道定時(shí)器接口模塊，外部中斷，同時(shí)具有看門狗監(jiān)視復(fù)位，低電壓極限檢測(cè)復(fù)位，非法指令檢測(cè)復(fù)位等，保證系統(tǒng)的順利運(yùn)行，使系統(tǒng)避免進(jìn)入死循環(huán)。

首先應(yīng)設(shè)計(jì)發(fā)射電路，相應(yīng)的頻率發(fā)生器的4OkHZ方波應(yīng)進(jìn)行放大后才能驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，那么實(shí)際而言，發(fā)射驅(qū)動(dòng)器實(shí)際上是信號(hào)放大電路。通過集成芯片實(shí)現(xiàn)電路放大的結(jié)果。

其次，應(yīng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的接收電路。在超聲波接收頭接收到了超聲波后，應(yīng)將接收到的超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，而轉(zhuǎn)換而來的電信號(hào)相對(duì)較弱，應(yīng)將信號(hào)放大，產(chǎn)生了正弦信號(hào)，其頻率為傳感器的中心頻率，也就是4OkHZ。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過高通濾波后經(jīng)過放大，最終經(jīng)過二極管整形后輸出到單片機(jī)的中斷口。

最后，應(yīng)通過單片機(jī)最小系統(tǒng)和接口電路的完善，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測(cè)距功能體系。在工程設(shè)計(jì)中，信號(hào)的輸入往往難以完全適應(yīng)設(shè)計(jì)的要求，從而應(yīng)對(duì)原有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，從而保護(hù)電弧，并根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)狀況完成電路的設(shè)計(jì)。由此在超聲波的信號(hào)接入單片機(jī)前，應(yīng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，從而實(shí)現(xiàn)幅值的調(diào)整。此外超聲預(yù)處理電路還能協(xié)助單片機(jī)實(shí)現(xiàn)部分的信號(hào)處理算法。用硬件實(shí)現(xiàn)平方濾波，從而減少單片機(jī)負(fù)擔(dān)。

[1]王智勇.基于89S52的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)[J].科技信息,2011(19).

[2]姜宇鵬,陳越惠,肖棋文.基于51單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2011(14).

[3]張海英.基于單片機(jī)超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)[J].科技信息,2011(22).