基于AT89S52單片機的超聲波測距儀設計

姚旺

(濟寧技師學院,山東濟寧 272000)

基于AT89S52單片機的超聲波測距儀設計

姚旺

(濟寧技師學院,山東濟寧 272000)

本文詳細介紹了基于單片機控制的超聲測距儀的原理,整個硬件電路由超聲波發射電路、超聲波接收電路、顯示電路等模塊組成。此系統具有易控制、工作可靠、測距準確度高、可讀性強和流程清晰等優點。實現后的產品可用于需要測量距離參數的各種應用場合。

AT89S52單片機 超聲波 測距

超聲波測距由于其科研技術難度較低且制作成本比較低，適合大規模生產、推廣。所以我們現在所見到的一些測距儀器基本都是利用超聲波來測量距離的。超聲波作為一種非接觸性檢測技術，它可以在不接觸到被測物體時就檢測出距離，所以它不受被測介質、光線、煙霧、電磁干擾等因素的影響。這就可以解決人們在粉塵多的情況下，給人類引起的身體傷害，腐蝕性質的被測物對測量儀器的腐蝕，觸電接觸不良造成的誤測情況。且對被測元件無磨損，是測量儀器牢固耐用，使用壽命加長，降低能量的損耗節省了人力物力，從長遠的利益看，是有很大的研究價值的。

1 超聲波傳感器

總體上講，超聲波發生器可以分為兩大類:一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等;機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。他們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發生器。在超聲波測量系統中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多;頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大，檢測距離越短，分辨力也變高。本文中選用的探頭是4OKHz的收發分體式超聲傳感器，由一支發射傳感器UCM-T40KI和一支接收傳感器UCM-R4OKI組成。

2 超聲波測距原理

超聲波測距的方法有多種:如往返時間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法。本設計采用往返時間檢測法測距。其原理是超聲波傳感器發射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質傳播，到達測量目標或障礙物后反射回來，經反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經歷的時間即往返時間，往返時間與超聲波傳播的路程的遠近有關。測試傳輸時間可以得出距離。假定s為被測物體到測距儀之間的距離，測得的時間為t／s，超聲波傳播速度為v／m·s－1表示，則有關系式S=VT/2。在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按式V=331.4+0.607T對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。式中，T為實際溫度單位為℃，V為超聲波在介質中的傳播速度單位為m／s。

3 超聲波測距儀系統

本文所研究的超聲波測距儀利用超聲波指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離較遠等優點，即用超聲波發射器向某一方向發送超聲波，同時在發射的時候開始計時，在超聲波遇到障礙物的時候反射回來，超聲波接收器在接收到反射回來的超聲波時，停止計時。設超聲波在空氣中的傳播速度為V，在空氣中的傳播時間為T，汽車與障礙物的距離為S，S=VT/2，這樣可以測出汽車與障礙物之間的距離，然后在數碼管顯示出來。根據設計要求并綜合各方面因素，本設計決定采用AT89S52單片機作為主控制器，用動態掃描法實現數碼管數字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器完成。

圖1 數碼管電路

3.1 超聲波發射電路

通過分析，用單片機P0.1發射一組方波脈沖信號，其輸出的波形是穩定可靠的，但輸出電流和輸出功率很低，不能夠推動發射傳感器發出足夠強度的超聲信號，所以超聲波發射電路是有超聲波探頭和放大電路組成。本設計采用74LS04芯片進行信號的放大。工作時，由單片機產生的40KHZ的脈沖信號從P0.1口向超聲波的發發射電路發出信號，在經放大電路放大后，驅動超聲波探頭將超聲波發射出去。

3.2 超聲波接受電路設計

超聲波和其它的聲波一樣，在傳播過程中能量會衰減的很厲害，此時，超聲波信號接收裝置會受到很大的影響。因此，我們還要設計一個超聲波放大電路。讓超聲波能夠接收到這個微小信號并將其放大，讓超聲波接收裝置能夠接收識別。超聲波接收電路主要由集成電路CX20106A芯片電路構成，CX20106A芯片電路可以對超聲波信號進行放大、限幅、帶通濾波、整形、比較等功能，比較完后超聲波接收電路會輸出一個低電平到單片機去請求中斷，當即單片機停止計時，并開始去進行數據的處理。因為CX20106A本身就具有很高的抗干擾能力，而且靈敏度也比較高，所以能滿足設計的要求。由于在設計過程中條件有限，所以選擇了集成超聲波發射和接收裝置: HR-SR04超聲波集成模塊。

3.3 顯示電路

顯示模塊采用數碼管顯示接口電路如圖1所示。

4 結語

利用51系列單片機設計的測距儀便于操作、讀數直觀。經實際測試證明，該類測距儀工作穩定，能滿足一般近距離測距的要求，且成本較低、有良好的性價比。由于該系統中鎖相環鎖定需要一定時間，測得的距離有誤差，在汽車雷達應用中可忽略不計;但在精度要求較高的工業領域如機器人自動測距等方面，此誤差不能忽略，可以通過改變一些硬件的應用實現對超聲波的快速鎖定或根據自己的需要在程序中加入測距軟件補償的代碼，使誤差進一步減小，可以滿足更高要求。

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