基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距控制系統(tǒng)方案VIP

1、10/10基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距控制系統(tǒng)1、總體方案設(shè)計(jì)本文所研究的超聲波測(cè)距儀利用超聲波指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，即用超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)送超聲波，同時(shí)在發(fā)射的時(shí)候開(kāi)始計(jì)時(shí)，在超聲波遇到障礙物的時(shí)候反射回來(lái)，超聲波接收器在接收到反射回來(lái)的超聲波時(shí)，停止計(jì)時(shí)。設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為V，在空氣中的傳播時(shí)間為T(mén)，汽車與障礙物的距離為S，S=VT/2S=VT/2，這樣可以測(cè)出汽車與障礙物之間的距離，然后在LED顯示屏上顯示出來(lái)。其工作機(jī)理是依據(jù)壓電材料的正逆壓電效應(yīng)，利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，即逆壓電效應(yīng)是在壓電材料上加上某種特定頻率的交變正弦信號(hào)，材料就會(huì)產(chǎn)生隨所加電壓

2、的變化規(guī)律而變化的機(jī)械形變，這種機(jī)械形變推動(dòng)周圍介質(zhì)振動(dòng)，產(chǎn)生疏密相間的機(jī)械波，如果其振動(dòng)頻率在超聲圍，這種機(jī)械波就是超聲波。本文所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀主要由AT89C52單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收放大電路、顯示電路。首先由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生12MHZ晶振，由超聲波發(fā)射探頭發(fā)送出去，在遇到障礙物反射回來(lái)時(shí)由超聲波接收探頭檢測(cè)到信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)濾波、放大、整形之后送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，把計(jì)算結(jié)果輸出到LED液晶顯示屏上。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率，功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測(cè)量方面較為常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本例決定采用AT89C51單

3、片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成。超聲波測(cè)距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。單片機(jī)AT89C51發(fā)射電路超聲波換能器障礙物計(jì)時(shí)LED顯示接收電路超聲波換能器圖1 超聲波測(cè)距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖主程序流程圖：計(jì)算距離顯示結(jié)果開(kāi)始系統(tǒng)初始化發(fā)送超聲波脈沖等待反射超聲波 圖22、具體電路設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)由AT89S51單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、接收放大電路與顯示電路組成。AT89S51單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，用來(lái)協(xié)調(diào)各部件的工作，單片機(jī)采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。先由單片機(jī)控制的振蕩

4、源產(chǎn)生40kHz的頻率信號(hào)以驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，持續(xù)發(fā)射超聲波20ms。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)超聲波脈沖發(fā)射后，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，在檢測(cè)到第一個(gè)回波脈沖的瞬間，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這樣就能夠得到從發(fā)射到接收的時(shí)間差t；根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)最終利用單片機(jī)計(jì)算出被測(cè)距離，并由顯示器顯示出來(lái)，顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP三極管9012驅(qū)動(dòng)。測(cè)距電路的輸出端接單片機(jī)中斷端口，中斷源的識(shí)別由程序查詢來(lái)處理。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，INT0出現(xiàn)低電平，立即產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信

5、號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。并將測(cè)距成功標(biāo)志位賦值1。當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志賦值0，表示本次測(cè)距不成功。2.2 超聲波發(fā)生電路超聲波發(fā)射電路主要由超聲波換能器和反向器74LS04構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40KHz方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻R1、R2一方面可以增加超聲波換能器的阻

6、尼效果，以縮短其振蕩的時(shí)間，提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力；另一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力。超聲波發(fā)射原理圖如圖3所示。圖32.3 超聲波接收電路集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)的紅外接收器。因?yàn)榧t外遙控常用的載波頻率38KHz與測(cè)距的超聲波頻率40KHz比較接近，所以本設(shè)計(jì)利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)證明，用CX20106A超聲波（無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平）具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)改變電容C1的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。2.4 數(shù)據(jù)顯示電路顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的4位共陽(yáng)LED

7、數(shù)碼管，斷碼用74LS244驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP三極管9012驅(qū)動(dòng)。由P0口輸出顯示數(shù)據(jù)，P2.0P2.3用來(lái)位選。2.5 單片機(jī)測(cè)距原理本設(shè)計(jì)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?？紤]實(shí)際情況，采用異地脈沖反射式來(lái)測(cè)距，即需測(cè)距離是聲波傳輸距離的一半。測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，然后求出距離S。在速度V已知的情況下，距離S的計(jì)算公式如下：S=V*t/2限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以與接收換能器的靈敏度。接收換能

8、器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計(jì)方法。3、整體電路設(shè)計(jì)圖44、軟件程序設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序，超聲波發(fā)生子程序，超聲波接收中斷程序與顯示子程序組成，由于C語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率并且容易精確計(jì)算程序行動(dòng)的時(shí)間，而超聲波測(cè)距器的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精確計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)），所以控制程序可采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。下面對(duì)超聲波測(cè)距器的算法，主程序，超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序逐一介紹。4.1 主

9、程序主程序流程圖：計(jì)算距離顯示結(jié)果開(kāi)始系統(tǒng)初始化發(fā)送超聲波脈沖等待反射超聲波圖5程序首先要對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并對(duì)顯示端口P0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。為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳到接收器引起的直射波，需要延時(shí)約0.1ms（這也就是超聲波測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）后才可打開(kāi)外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是12MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1us，所以當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按式（32）計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距器之間的距離。

10、設(shè)計(jì)時(shí)取20時(shí)的聲速為344m/s，則有d=（vt）/2=（172T/10000）cm （32）其中：T為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值。測(cè)出距離后，結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示約為0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。圖5所示為主程序流程圖。4.2 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過(guò)P1.0端口發(fā)送兩個(gè)左右的超聲波脈沖信號(hào)（頻率40KHz的方波），脈沖寬度為12us左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開(kāi)進(jìn)行時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡(jiǎn)單，但要求程序運(yùn)行時(shí)間準(zhǔn)確，所以采用匯編語(yǔ)言編程。ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP PINT0 ORG

11、 000BH LJMP INTT0 ORG 0013H RETI ORG 001BH LJMP INTT1 ORG 0023H RETI ORG 002BH RETI超聲波測(cè)距器主程序利用外中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入超聲波接收中斷程序。進(jìn)入該中斷后，就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0，停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。中斷程序INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H SETB ET1 SETB EA SETB TR0 ；啟動(dòng)計(jì)數(shù)器T0，用以計(jì)算超聲來(lái)回時(shí)間 SETB TR1 ；開(kāi)啟發(fā)超聲波用

12、定時(shí)器T1OUT: RETIINTT1: CPL VOUT DJNZ R4,RETOUT CLR TR1 ;超聲波發(fā)完畢，關(guān)T1 CLR ET1 MOV R4,#04H SETB EX0 ;開(kāi)啟接收回波中斷RETIOUT: RETIPINT0: CLR TR0 ;關(guān)計(jì)數(shù)器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0 MOV 44H,TL0 ;將計(jì)數(shù)值移入處理單元 MOV 45H,TH0 SETB 00H ;接收成功標(biāo)志 RETI如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2，以表示本次測(cè)距不成功。5、設(shè)計(jì)驗(yàn)證超聲波測(cè)距

13、儀的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用15的超聲波換能器TCT40-10F1(T發(fā)射)和TCT40-10S1(R接收)，中心頻率為40kHz，在安裝時(shí)應(yīng)當(dāng)要保持兩換能器中心軸線平行并相距48cm，其余元件無(wú)特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C4的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)的圍為0.210m，測(cè)距儀最大誤差不超過(guò)5cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。6、設(shè)計(jì)成果在我們?yōu)槠谌艿脑O(shè)計(jì)中，我們用到了以前學(xué)到的很多知識(shí)，比如電工、單片機(jī)、和匯編語(yǔ)言等。這使我們意識(shí)到，任何一件產(chǎn)品的產(chǎn)生，都不是單一知識(shí)所能實(shí)現(xiàn)的。而且在電路的設(shè)計(jì)和程序的編制過(guò)程中，出現(xiàn)了很多意想不到的錯(cuò)誤，讓我們措手不與，有些甚至是一些非常低級(jí)的錯(cuò)誤，但是這些錯(cuò)誤也同樣讓我們獲益非淺，它使我們意識(shí)到，研究是一個(gè)非常嚴(yán)肅的過(guò)程，來(lái)不得半點(diǎn)馬虎。在本課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中盡管走了很多的彎路，但是還是學(xué)到了不少知