基于AT89C52單片機的超聲波測距儀的設(shè)計

　　摘要：測距技術(shù)在物位檢測、醫(yī)療探傷、汽車防撞等民用、工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，由于超聲波的速度相對于光速要小的多，其傳播時間就比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，發(fā)射強度好控制，且不受電磁干擾影響，因而利用超聲波測距是一種有效的非接觸式測距方法。但超聲波在不同環(huán)境溫度下傳播速度不同，如忽略溫度影響，將影響zui終測量精度。本文介紹的超聲波測距儀采用渡越時間檢測法，使用了DS18B20溫度傳感器對現(xiàn)場溫度進(jìn)行檢測，并通過軟件計算實現(xiàn)波速的溫度補償，消除了溫度對測量結(jié)果的影響，使測量誤差降低。
　　
　　1、系統(tǒng)工作原理
　　
　　超聲波測距原理如圖1所示。　　
　　式中c——超聲波波速：t——從發(fā)射出超聲波到接收到回波所用時間。
　　
　　限制該系統(tǒng)的zui大可測距離存在4個因素：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及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定zui小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計方法。
　　
　　由于超聲波屬于聲波范圍，其波速c與溫度有關(guān)，經(jīng)過測量得出超聲波的波速與溫度的關(guān)系，如表1所示。
　　
　　將測量的速度數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行一階擬合得出：
　　
　　c=331.6+0.6107xT（2）
　　
　　式中T——當(dāng)?shù)販囟取?br />　　
　　在測距時，可通過溫度傳感器自動探測環(huán)境溫度、確定其時的波速c。波速確定后，只要測得超聲波往返的時間t，即可求得距離H，這樣能較地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過的路程，提高了測量度。
　　
　　本設(shè)計方案中使用渡越時間檢測法，測距儀工作原理為：在由單片機發(fā)出驅(qū)動信號的同時，開啟單片機中的計時器，開始計時。發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波，在由接收探頭接收到*回波的同時停止單片機計時器的計時，由于超聲波在空氣中的速度已知，根據(jù)公式即可求得探頭與待測目標(biāo)之間的距離。而且，可以在較短時間內(nèi)多次發(fā)出超聲波測量，完成后計算平均值然后顯示。
　　
　　超聲波在相同的傳播媒體里（大氣條件）傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，但其頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短。考慮實際工程測量要求，在設(shè)計超聲波測距儀時，選用頻率f=40kHz的超聲波，波長為0．85cm。
　　
　　2、系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　
　　本系統(tǒng)采用AT89C52單片機作為主控制器，使用3位數(shù)碼管作為系統(tǒng)顯示屏，超聲波發(fā)射驅(qū)動需要的40kHz脈沖由單片機P0．0發(fā)出，使用定時器進(jìn)行計時和控制，超聲波接收使用CX20106A作為接收主控芯片，使用DS18B20作為溫度傳感器進(jìn)行溫度校正。超聲波測距器的系統(tǒng)原理圖如圖2所示。　　
　　2．1超聲波的發(fā)射電路設(shè)計
　　
　　超聲波發(fā)送模塊是由超聲波發(fā)射探頭組成的，單片機的P0．0端口直接發(fā)送40kHz的信號，使用9012三極管做為驅(qū)動放大，驅(qū)動壓電晶片超聲波換能器產(chǎn)生超聲波，超聲波發(fā)射電路如圖3所示。超聲波發(fā)射子程序的流程是，發(fā)射時首先裝填計時器，并且開始計時，當(dāng)超聲波發(fā)射完畢時，定時器計時完畢，并且重新裝填等待下次發(fā)射。　　
　　2．2超聲波接收電路設(shè)計
　　
　　在接收電路中使用了紅外線接收處理芯片CX20106A，因為它處理的是38kHz的紅外信號，而40kHz的超聲波信號和它比較接近，并且CX20106A芯片具有很強的抗*力，這個芯片的外圍電路很簡單而且通過外圍電阻調(diào)節(jié)它的中心處理頻率，通過改變外圍電路電容的大小也可以改變接收電路靈敏度和抗*力。
　　
　　經(jīng)過試驗后發(fā)現(xiàn)用單片機發(fā)40kHz信號與使用CX20106A的電路搭配更加簡單合理，使得時間的計算更為。　　
　　該系統(tǒng)的超聲波接收模塊是由超聲波接收探頭和紅外線接收處理芯片CX20106A組成。如圖4所示。超聲波接收子程序的流程是，利用INT0中斷檢測回波信號，若有回波信號（INT0口低電平）就關(guān)閉外部中斷，同時停止計時器的計時，將測距成功標(biāo)志位標(biāo)記為1（測距成功），同時提取時間值，計算待測距離，保存zui終結(jié)果后打開外部中斷，等待下次測量。
　　
　　2．3超聲波測距顯示電路
　　
　　在顯示模塊選擇時有兩種，一種是用液晶顯示屏，其具有輕薄短小，分辨率高，可顯示漢字等各種符號的優(yōu)點。但一般需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫，編程工作量大；一種則是選用數(shù)碼管，數(shù)碼管具有低電耗、壽命長、易于維護的特點，同時精度比較高，稱量快，可靠，編程容易，操作簡單。缺點是不能實現(xiàn)漢字及多數(shù)據(jù)多行顯示。綜合考慮本次設(shè)計中選擇了3位數(shù)碼管顯示。用PNP型三極管驅(qū)動數(shù)碼管，并連接到單片機AT89C52的P0口上作位選。雖然顯示上沒有液晶顯示屏那么*，但是也能夠完整直觀地顯示出需要的結(jié)果。圖5為超聲波測距硬件設(shè)計的顯示電路。　　
　　2．4溫度補償電路設(shè)計
　　
　　本系統(tǒng)中，選擇使用溫度芯片DS18B20作為溫度傳感器。DS18B20支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55～125℃，在-10～85℃范圍內(nèi)，精度為±0．5℃。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。DS18B20引腳說明如表2所示。　　
　　DS18B20是在一根I／O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。　　
　　溫度補償電路的設(shè)計如圖6所示，數(shù)據(jù)輸入／輸出腳連接到單片機的P0．1腳，電源接口接入+5V的電壓，外加5．6kΩ的上拉電阻，因為DS18B20是單總線溫度傳感器，數(shù)據(jù)線是漏極開路，如果DS18B20沒接電源，則需要數(shù)據(jù)線強上拉，給DS18B20供電；如果DS18B20接有電源，則需要一個上拉即可穩(wěn)定的工作。由于DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，檢測的溫度值在內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換，溫度測量結(jié)果直接以數(shù)字信號輸出，單片機對由DS18B20輸出的信號進(jìn)行讀取，經(jīng)過軟件對溫度數(shù)字值實現(xiàn)處理。
　　
　　2．5主電路原理圖
　　
　　該系統(tǒng)主電路原理圖如圖7所示，單片機采用89C52系列，單片機使用外部時鐘源，外接6MHZ的晶振，由P0．0口直接輸出40KHZ的驅(qū)動信號給放大電路。接收到回波后，經(jīng)由CX20106的濾波，產(chǎn)生中斷信號，并由p3．2口輸出進(jìn)行中斷。顯示電路采用簡單實用的3位數(shù)碼管，連接單片機AT89C52的P0口，而三極管連接P2口，作數(shù)碼管的位選。工作時，首先將系統(tǒng)初始化，啟動計時器。并由P0．0腳發(fā)出40KHZ的驅(qū)動信號，同時打開INT0中斷，并且開始等待接收到的回波和中斷信號，若接收到回波（單片機接收到中斷信號），計時器停止計時，保存時間信息，并且根據(jù)溫度補償計算出當(dāng)前環(huán)境下的聲速，計算出當(dāng)前待測距離后儲存，并調(diào)用顯示子程序。測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式傳送到LED顯示，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。　　
　　3、結(jié)論
　　
　　經(jīng)過實測，本測距儀能夠迅速的測出250m以內(nèi)的短距離障礙物，在30—200cm范圍內(nèi)，誤差能控制在1cm以內(nèi)，本設(shè)計具有簡單實用，能耗低，成本低等特點。經(jīng)過實際測試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的精度能滿足普通需求，若需要進(jìn)一步提高精度，可采用精度更高但系統(tǒng)更加復(fù)雜的雙頻超聲波測距的方法。