基于AT89C51單片機的超聲波測距系統設計*

王香梅，薛英龍

(1.西安職業技術學院，陜西 西安 710032；2.西電三菱電機開關設備有限公司，陜西 西安710032)

基于AT89C51單片機的超聲波測距系統設計*

王香梅1，薛英龍2

(1.西安職業技術學院，陜西 西安 710032；2.西電三菱電機開關設備有限公司，陜西 西安710032)

超聲波測距在水庫液位測量、汽車倒車、機器人定位及避障等方面應用十分廣泛，其結構簡單，成本低，不受色彩、電磁場和光照度等因素的影響。本文主要分析了超聲波測距的原理，設計了以AT89C51單片機為核心的超聲波測距系統，闡述了其實現過程，分析了回波檢測對系統的影響。

超聲波；測距；AT89C51單片機

1 超聲波測距的原理

超聲波測距可分為脈沖反射式和共振式2種，在實際應用中，一般采用脈沖反射式。采用超聲波測距的原理是當超聲波在空氣中傳播時，遇到障礙物會反射回來，從發出超聲波時開始計時，到接收回波時計時停止，計時器記錄的兩者時間差就是傳播時間的2倍，進而就可以算出待測距離[1]。常溫下，空氣中超聲波的傳播速度為C=340 m/s，發射點到障礙物的距離S可以以此為根據計算，即：S=Ct/2=Ct0，式中，t0是渡越時間(上游信號到下游信號的時間差)。

超聲波測量系統主要包括隔離開關、發射電路、接收傳感器、發射傳感器、記錄/控制設備和接收放大器。 在超聲波測量系統中，如果頻率太高，在傳播過程中容易衰減，并且衰減的速度較快，如果頻率太低，容易受到外界雜音的干擾；因此，測量頻率通常選取為40 kHz。目前，超聲波測量的距離較短，最長也就幾十米，所以大多用于室內測量。因為超聲波接收裝置和發射裝置具有電源頻率本身所具有的頻率特性，所以，其他電波頻率不容易對其進行干擾。

超聲波測距系統一般采用脈沖壓力波，其頻率范圍較大，一般為25～300 kHz。發射傳感器和接收傳感器可共用一個，也可分開使用[2]。發射電路一般由功放電路和振蕩電路2部分組成，其主要作用是向傳感器輸出高壓脈沖串，輸出的高壓脈沖串具備一定的寬度，傳感器將高壓脈沖串轉換成聲能之后，才能將其發出。接收放大器將回聲信號放大并記錄，其應有足夠的頻帶寬度，以接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號。收/發隔離的主要作用是隔離干擾信號，使其不能影響接收裝置接收回波。記錄/控制部分的主要作用是啟動或關閉發射電路，換算時差，顯示或記錄距離讀數[3]。

2 單片機超聲波測距構想

基于單片機的超聲波測距系統在設計過程中考慮的參數較多，本文從系統組件和整體結構角度來討論其主要參數。

2.1 超聲波測距系統的總體方案

系統整體結構如圖1所示。

圖1 超聲波測距系統整體結構圖

本系統選用的超聲探頭為超聲波傳感器，其頻率為40 kHz。接收裝置和發射裝置不是同一個傳感器，接收傳感器 選擇SZW-R40-10P，發射傳感器選擇SZW-S40-12M，其特性參數見表1。

表1 傳感器特性參數

發射電路通常為非調諧式和調諧式。調諧元件不存在于非調諧電路中，所發射的超聲波的頻帶較寬，由壓電晶片的固有參數決定著發射頻率的大小。為了使其振動發出超聲，需要在發射傳感器的兩端施加一定幅度和頻率的交流電壓。調諧線圈主要存在于調諧式電路和探頭2處，通常將其設置在調諧式電路中。調諧頻率的大小由電路的電感和電容決定。

因為存在諧振頻率，所以在選擇電路頻率時應考慮發射傳感器40 kHz的固有頻率。根據理論知識可知，回波功率越大，接收電路的設計就越容易。然而，發射傳感器的工作電壓值應在一定范圍內，如果工作電壓值超過最大值，就會對傳感器的內部電路造成不能修復的嚴重損壞，使其不能正常工作。

發射電路中存在阻尼電阻，電阻小時，阻尼大，發射強度小，分辨能力強，適用于對分辨力有較高要求或者是探測近表面缺陷時使用；電阻大時，阻尼小，發射強度大，分辨能力弱，適宜于探測厚度大的試件時使用。

發射裝置的點脈沖電壓值較高，但回波使壓電晶片產生的射頻電壓值只有幾十mV，需對其進行放大處理，所以接收裝置一定要設置放大電路。接收裝置主要包括3種電路：三級放大電路、檢測電路和門限判斷電路。最終對回波信號進行放大，回波到達的標志是產生一個中斷信號，并且這個中斷信號能夠被單片機識別；但由于超聲波傳感器存在盲區，不利于回波的處理和接收，對其產生了很大影響。

2.2 系統主要參數分析

2.2.1 傳感器的指向角

傳感器的指向角直接影響測量的分辨率，傳感器的工作波長λ和其半徑r直接影響圓片傳感器的指向角的大小。根據：(2π/λ)rsin(θ/2)=1.615，當選擇f0的值為40 kHz時，λ=C/f0=8.5 mm。當確定f0的值后，指向角θ的大小和傳感器半徑大小成反比。由于當前生產的壓電傳感片規格不全，所以在以不降低空間分辨率的前提下，為了降低成本，通常選擇國產壓電傳感片，該壓電傳感片的規格為最大半徑r=6.3 mm，因此，θ=2arcsin(1.615λ/ 2πr)=75°。

2.2.2 測距儀的工作頻率

測距儀的工作頻率決定了傳感器的尺寸，并對超聲波有顯著的影響(如影響超聲波擴散和超聲波背景噪聲等)，還直接影響著空氣中超聲波的衰減系數；因此，應科學、合理地選擇超聲波頻率，通常情況下，超聲波頻率選擇約為40 kHz。如果頻率太高，超聲波將不能在空氣中傳播。

在確定測距儀的工作頻率時，應從下述幾方面進行考慮。

1)如果對測距儀的測距能力要求較高，聲波在傳播中的損耗也會相應增加，所以應采取相應的措施降低聲波的傳播損耗。因為聲波頻率越大，聲波的吸收也越大，所以必須降低工作頻率。

2)如果換能器的尺寸一樣，則工作頻率越高，越容易測量障礙物的復雜表面。此外，由于波長和尺寸分辨率成反比，所以，為了提高測量精度和清晰地測量障礙物的復雜表面，應提高工作頻率。

3)因為工作頻率和傳感器的尺寸成反比關系，所以工作頻率越大，傳感器的尺寸越小，越容易安裝和制造。

2.2.3 聲速

聲速的精確程度直接影響并決定著測距系統測量精度的大小。聲波在介質中傳播會受到很多因素的影響，比如溫度、介質壓力和雜質含量等，聲速隨著溫度的變化公式為：

V=331.4+0.607T

(1)

式中，T是溫度。

由于設計的測距系統用于室內測量，且測量范圍并不大，溫度可以看作是恒定的。在室溫下，根據式1可以計算出聲音在空氣中的傳播速度，計算結果為340 mm/ms。

2.2.4 發射脈沖寬度

發射脈沖寬度對測距系統的測量精度也有影響，容易使其存在測距盲區，此外，其也影響著發射信號的能量。發射脈沖寬度降低，測量精度較高，降低了發射能量，減少測量盲區，不利于回波接收；脈沖寬度過寬，測量盲區會有所增加，會對比較電路和接收回波產生一定的影響，造成一定的困難。分別選擇24、240、120和720 μs的發射脈沖寬度作為發射信號后的接收信號進行比較，最終選定的發射脈沖寬度為120 μs。

2.2.5 測量盲區

如果選擇傳感器發射電脈沖的電壓很高，在激勵傳感器的同時也進入接收部分。此時，在很短的時間內放大器的放大倍數將會減少，甚至放大效應消失，這種現象被稱為阻塞。

對缺陷進行定量評價時，如果以阻塞區內的缺陷回波高度為依據進行，會降低辨別結果，有時甚至不能發現障礙物的存在。由于放大器存在阻塞問題，并且發射聲脈沖本身存在一定的寬度，所以在靠近發射脈沖的短時間范圍內存在盲區，不能發現缺陷。

3 超聲波測距系統的實現

單片機程序的主體是主程序。主程序啟動時，先完成單片機的初始化，然后對控制發射信號過程進行重復，每次發射周期結束時都會對信號的延時等待過程進行判斷。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

3.1 40 kHz 脈沖的產生與超聲波發射

定時/計數器T0初始化完成之后才會產生脈沖，選定工作模式1定時器模式，設定TMOD為01H。然后使用指令STEB TR0對T0進行開啟，與此同時發射超聲波脈沖。超聲波傳感器選擇壓電陶瓷傳感器UCM40，其工作電壓的脈沖信號為40 kHz，單片機脈沖信號的產生根據下述程序進行。

PUZEL：MOV 14H， #12H ；超聲波發射持續200 ms

HERE：CPL P1.0 ；超出40 kHz方波

NOP

NOP

NOP

DIZN 14H，HERE

RET

單片機P1.0端口和前方測距電路的輸入端相連接，單片機啟動脈沖信號產生程序后，P1.0 端口輸出一個40 kHz的脈沖信號，通過三極管T進行放大，超聲波發射頭發射出40 kHz的脈沖超聲波，發射時經UCM40T驅動，發射持續時間為200 ms。右側測距電路的輸入端接P1.1端口，左側測距電路的輸入端P1.2端口，和前方測距電路的工作原理相同。

3.2 超聲波的接收與處理

超聲波的接收判斷依據是外部中斷口INT0是否產生中斷脈沖。定時子程序轉回來時，要初始化中斷程序。選定脈沖方式和INT0口進行中斷。

STEB EA ；中斷總允許

STEB EXO ；INTO中斷允許

STEB PXO ；設置INTO為高優先級中斷

STEB ITO ；設置INTO為脈沖方式

接收頭選擇UCM40R，和發射頭相互配對，轉換超聲波調制脈沖，使其轉變成交變電壓信號，經運算放大器IC1B和IC1A兩極放大后加至IC2。IC2選擇音頻譯碼集成塊LM567，帶有鎖定環(電容C4決定其鎖定帶寬)，內部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1R8C3。在發射的載頻上調節R8，則LM567輸入信號高于25 mV，輸出端8腳躍變為低電平，作為中斷請求信號，送至單片機處理。

單片機INT0端口接前方測距電路的輸出端，中斷優先級最高，左、右測距電路的輸出和單片機INT1端口相接，通過與門IC3A的輸出實現相接，IC3A的輸入端和單片機P1.3和P1.4相接，程序查詢來處理中斷源的識別，中斷優先級為先右后左。

部分源程序如下： RECEIVE：PUSE PSW

PUST ACC

CLR ACC

JNB P1.1,RIGHT；P1.1引腳為0，轉至右測距電路中斷服務程序

JNB P1.2,RIGHT；P1.2引腳為0，轉至左測距電路中斷服務程序

RETURN：SETB EX1；開外部中斷 INT1

POP ACC

POP PSW

RET1

3.3 數據讀取和儲存

讀出T0計數器的計數值，才能得到接收回波與發射信號的時間差，在RAM中存儲，每次發射周期開始，需對計數器清零，進行后續處理。

3.4 計算超聲波傳播時間

T0中讀取出來的時間差數據不能直接得到距離值，因為S=0.5VT。其中，V代表在常溫下聲音的傳播速度；T代表信號發射和接收間的時間差，在這個部分中，包括距離值和計數值換算，信號處理二進制與十進制轉換。

4 結語

本文設計的超聲波測距系統以AT89C51單片機為核心，工作頻率為40 kHz，可以應用在車輛的倒車檢測中，使其成為車載超聲測距儀。該系統的應用前景十分廣泛。

[1] 朱月秀.單片機原理與應用[M].2版.北京：科學出版社，2004.

[2] 陳瑩.基于單片機的超聲波測距系統[D].武漢：華中科技大學，2004.

[3] 戴曰章.基于AT89C51單片機的超聲波測距系統[J].電氣時代,2005(7)：130-131.

*西安職業技術學院教學改革基金資助項目(SGH0903114)

責任編輯馬彤

TheUltrasonicRangingSystembasedonAT89C51isDesigned

WANG Xiangmei1,XUE Yinglong2

(Xi′an Vocational And Technical College，Xi′an 710032,China；2.XD Mitsubishi Electric Switchgear Co.,Ltd.,Xi′an 710032,China)

Ultrasonic ranging is widely used in the robot obstacle avoidance and positioning, car reversing, reservoir level measuremont and so on, because that it has simple structure, low cost, and can not been affected by light or electromagnetic field. This article obtains the cause of ultrasonic distance measurement error, and analyzes the effects of temperature on ultrasonic velocity, echo detection of time measurement and the influence of ultrasonic sensor on measuring accuracy and the applied voltage range.

ultrasonic,ranging,AT89C51

TP 306

：A

王香梅(1977-)，女，講師，主要從事電氣工程及自動化等方面的研究。

2014-12-26