基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)

□ 席雪君 蘇圣超

一、引言

傳統(tǒng)的超聲波汽車倒車測(cè)距儀是在常見(jiàn)的汽車倒車預(yù)警裝置的基礎(chǔ)上采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和超聲波測(cè)距技術(shù)研制出來(lái)的，它解除了駕駛員泊車和起動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所引起的困擾，提高了駕駛安全性。超聲波作為一種非接觸的測(cè)量方式［1～3］，包含以下的優(yōu)點(diǎn):高性能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性好、易開(kāi)發(fā)等，同時(shí)它在深海探測(cè)、汽車倒車?yán)走_(dá)等領(lǐng)域具有廣泛的用途。但不同的溫度環(huán)境對(duì)超聲波測(cè)距精度有較大的影響，溫度平均每變化1℃的會(huì)使聲速變化0．607m/s。選取C8051F作為測(cè)距系統(tǒng)的核心，采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ脺夭顏?lái)補(bǔ)償聲速，從而提升超聲波測(cè)距系統(tǒng)的精度。為了克服超聲波測(cè)距系統(tǒng)中環(huán)境溫度波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)距造成的誤差，采用了溫度傳感器DS18B20［4］實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，溫度傳感器DS18B20測(cè)量溫度，根據(jù)溫度值與超聲波對(duì)應(yīng)的關(guān)系采用計(jì)算機(jī)及時(shí)修正波速，以糾正溫度的變化引起超聲波測(cè)距系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差。

二、硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，選取C8051F單片機(jī)作為主控制器，設(shè)計(jì)一種精度較高的超聲波測(cè)距儀。同時(shí)在超聲波測(cè)距基礎(chǔ)上通過(guò)增加溫度傳感器對(duì)超聲波測(cè)距進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到更高精度，進(jìn)一步保障行車駕駛的安全性。

圖1 汽車倒車測(cè)距儀電路原理圖

通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器產(chǎn)生超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件［4］主要有:發(fā)射部分電路、接收部分電路、溫度感應(yīng)電路、內(nèi)部控制部分、數(shù)字顯示部分。工作流程:測(cè)距開(kāi)始，測(cè)距系統(tǒng)向發(fā)射電路輸出脈沖信號(hào)，隨即關(guān)閉發(fā)射信號(hào)，計(jì)數(shù)器打開(kāi)并開(kāi)始計(jì)時(shí)，使計(jì)數(shù)器與實(shí)際測(cè)距時(shí)間同步;當(dāng)所有脈沖都被接收到后，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，得到時(shí)間t，由公式S=vt/2計(jì)算出測(cè)得的距離S，經(jīng)溫度T補(bǔ)償后超聲波的實(shí)際波速計(jì)算公式為:v=331．5+0．607T，最后得到測(cè)距公式:［2］S=(331．5+0．607T)*t/2。最后藉由 TFT顯示屏，實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示，如圖1所示。

圖2 溫度檢測(cè)電路圖

圖2為改進(jìn)后的溫度檢測(cè)電路，溫度的測(cè)量采用DS18B20傳感器，其抗干擾能力強(qiáng)、精度高、測(cè)量范圍寬。P1．3接溫度傳感器的數(shù)據(jù)總線，用來(lái)控制數(shù)據(jù)的傳輸并進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。在總線電路上接上拉電阻，使得P1．3在溫度轉(zhuǎn)換期間變?yōu)榈碗娖健囟戎怠囟绒D(zhuǎn)換指令、讀寫(xiě)指令都是通過(guò)數(shù)據(jù)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器與溫度傳感器之間的交互。

三、軟件設(shè)計(jì)

圖3 主流程圖

圖3為主流程圖，包括:中斷服務(wù)程序、溫度測(cè)量、距離計(jì)算、顯示等子程序。開(kāi)機(jī)后屏幕上先顯示“－－－－”，約0．5s的亮燈和發(fā)聲之后，測(cè)距儀開(kāi)始工作。T0為計(jì)時(shí)器，記錄超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔t(單位為ms)。程序先進(jìn)行系統(tǒng)初始化的操作，隨后觸發(fā)溫度檢測(cè)程序測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度，由公式v=331．5+0．607T算出經(jīng)由溫度補(bǔ)償后的波速后，然后再觸發(fā)超聲波程序，發(fā)出超聲波脈沖，當(dāng)主程序確認(rèn)接收到所有超聲波脈沖后，立即產(chǎn)生INT0中斷，定時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)。將T0中的數(shù)代入公式S=vt/2計(jì)算，完成測(cè)距操作。需要指出的是，t為計(jì)時(shí)器T0的計(jì)數(shù)值，v為經(jīng)由溫度補(bǔ)償后現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際波速，T為溫度傳感器測(cè)得的實(shí)際溫度，最終測(cè)得的距離由液晶TFT液晶屏顯示出來(lái)。

四、結(jié)語(yǔ)

基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀解決了超聲波由于溫度變化引起測(cè)距精度不高的問(wèn)題，可以安裝在各種車型的尾部，用于觀察車后障礙物情況，功能良好。

［1］蘭羽，周茜．超聲波測(cè)距系統(tǒng)接收電路研究［J］．電子設(shè)計(jì)工程，2012，20(14):81 ～83

［2］蘭羽．具有溫度補(bǔ)償功能的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．電子測(cè)量技術(shù)，2013，36(2):85 ～87

［3］李建中．單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007

［4］何希才．傳感器及其應(yīng)用電路［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2001