基于單片機控制的超聲波測距報警系統

王懿川/上海師范大學天華學院

0 引言

超聲波具有定向性好、能量集中、在傳輸過程中衰減較小、反射能力較強等優點，超聲波傳感器可廣泛應用于非接觸式檢測方法，因而采用仿真技術進行超聲波測距。

目前國內的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量準確度。通過分析超聲波測距誤差產生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，設計的高準確度超聲波測距儀能達到毫米級的測量準確度。

1 超聲波測距報警系統基本原理

如圖1所示，使單片機可接收超聲波模塊輸出的距離信號，并對其進行合理的處理后，在顯示模塊上實時顯示超聲波模塊與障礙物的距離。

圖1 系統連接示意

單片機發出40 kHz的方波信號，經放大后通過超聲波發射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經放大器放大，用鎖相環電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t。再通過軟件編程進行判別、計算，得出所測距離值并由LED數碼管顯示，其原理框圖如圖2。

發射器發出的超聲波以速度v在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為t。由公式：測出的距離 L (m)=常溫下的聲速340 (m/s)×感應時間t (s)/ 2，算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距準確度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以修正。

2 系統硬件設計

2.1 超聲波測距原理

單片機在 T0時刻發射方波，同時啟動定時器開始計時，當收到回波后，產生一個負跳變到單片機中端口，單片機響應中斷程序，定時器停止計數。計算時間差，即可得到超聲波在介質中傳播的時間t ，由此便可計算出距離。其時序圖如圖3所示。

2.2 硬件電路

硬件電路的設計主要包括單片機系統及顯示電路、超聲波發射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用STC89C51或其兼容系列。采用12 MHz高準確度的晶振，以獲得較穩定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P2.4端口輸出超聲波換能器所需的40 kHz的方波信號，利用外中斷0口監測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數碼管，段碼用程序驅動，位碼用PNP三極管驅動。

圖3 超聲波時序圖

2.3 各主要模塊的硬件

STC89C51芯片引腳與封裝如圖4所示。

圖4 STC89C51引腳

引腳功能說明：

（1）VCC：電源電壓。

（2）GND：接地。

（3）RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。

（4）/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。

（5）XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。

（6）XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。

（7）P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，也即地址/數據總線復用口。作為輸出口用時，每腳可吸收8TTL門電流。

（8）P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能吸收或輸出4TTL門電流。

（9）P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可吸收或輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。

（10）P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可吸收或輸出4個TTL門電流。

P3口也可作為AT89C52的一些特殊功能口，如表1所示。

表1 P3特殊功能口

P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。

（11）ALE//PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。

（12）/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。

2.4 超聲波發射電路

超聲波發射電路原理如圖5所示。輸出端采用兩個反向器并聯，用以提高驅動能力。上位電阻R10、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。

2.5 超聲波檢測接收電路

集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(如圖6)。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。

圖5 超聲波發射電路原理圖

圖6 超聲波檢測接收電路

2.6 顯示電路

顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數碼管，段碼用74LS244驅動，位碼用PNP三級管驅動。接P2.1引腳的為個位顯示數碼管，其小數點在P2.1有效時顯示，此功能由軟件來完成。

2.7 復位功能

系統應具備測距啟動功能，可以復位系統，使其開始重新測距。

綜上所述，本系統的特點是利用單片機控制超聲波的發射和對超聲波自發射至接收往返時間的計時，單片機選用STC89C52，經濟易用，且片內有8K的ROM，便于編程。電路原理如圖7 所示。

3 軟件方案

系統軟件設計采用模塊化設計，主要包括主程序設計、T0中斷服務子程序、外部中斷服務子程序、距離計算子程序、LED顯示子程序設計等。主程序首先是對系統環境初始化，設置定時器T0工作模式為16位定時計數器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P2清0。

圖7 電路原理

然后調用超聲波發生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發，需要延時約0.1 ms，然后才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。

測出距離后結果將以十進制BCD碼方式送往LED顯示約0.5 s，然后再發超聲波脈沖重復測量過程。為了有利于程序結構化和容易計算出距離，主程序采用C語言編寫。

3.1 主程序

·系統控制初始化LED、初始化計數控制部分，清除計數值。

·單片機超聲波脈沖信號。

·立刻置INT0為1，打開計時器，等待回波信號。

·回波信號到達，關閉計時器，P3.3為0，清 INT0為0。

·單片機讀出計數值。

·單片機將計數值進行計算后得出的距離值，顯示在LED上。

·當測量距離＜10.0 cm或＞50.0 cm時，報警系統燈亮。

·當按下復位鍵時，啟動復位功能。

主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程

3.2 定時中斷服務子程序

超聲波發生子程序的作用是通過P3.3端口發送2個左右頻率約40 kHz的方波的超聲波脈沖信號，同時把計數器T0打開進行計時。定時中斷子程序如圖9所示。

圖9 定時中斷服務子程序

3.3 功能顯示

如圖10所示，通過數碼管顯示測出距離為14.3 cm，屬于10.0 ～ 50.0 cm正常范圍。

圖10 超聲波測距正常范圍

如圖11所示，超聲波測出的距離為9.4 cm，＜10.0 cm，報警系統啟動，LED燈亮。

圖11 超聲波測距＜10.0 cm

如圖12所示，超聲波測出的距離為50.3 cm，＞ 50.0 cm，報警系統啟動，LED燈亮。

圖12 超聲波測距大于50.0 cm

如圖13所示，按下鍵盤模塊中的按鍵，復位系統，數碼管顯示距離數歸零。

圖13 啟動復位功能

[1]沙占友.集成化智能傳感器原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2004.

[2]吳研，劉蘇莉，盧日萬.超聲波倒車雷達系統設計[J].工業控制技術，2005（6）：88-90.

[3]肖景和，趙健.紅外線熱釋電與超聲波遙控電路[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[4]沈紅衛. 基于單片機智能系統的設計與實現[M].北京：電子工業出版社，2005.

[5]賴壽宏.微型計算機控制技術[M].北京：機械工業出版社，2002.

[6]尤一鳴. 傅景義，王俊省. 單片機總線擴展技術，1版[M].北京:北京航空航天大學出版社，1993.