超聲波測(cè)距儀的研究與設(shè)計(jì)

楊揚(yáng)

（大連科技學(xué)院電氣工程系，遼寧大連，116052）

超聲波測(cè)距儀的研究與設(shè)計(jì)

楊揚(yáng)

（大連科技學(xué)院電氣工程系，遼寧大連，116052）

本文介紹了一種基于超聲波技術(shù)的智能超聲波測(cè)距儀，其以超聲波傳感器、單片機(jī)STC89C52為微控制器，外加溫度的補(bǔ)償、顯示模塊、報(bào)警電路、復(fù)位電路、鍵盤(pán)控制電路設(shè)計(jì)和電源電路。

超聲波；傳感器；單片機(jī)

0 引言

近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)測(cè)量距離參數(shù)要求增高，不僅要求測(cè)距儀的精確度，還要求測(cè)量速度快，測(cè)量操作簡(jiǎn)便，測(cè)距儀不受不同的地點(diǎn)和天氣溫差的影響，因而超聲波測(cè)距儀應(yīng)運(yùn)而生。超聲波測(cè)距儀不僅滿足了以上的要求，還具有造價(jià)低、低功耗、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的測(cè)量。

1 應(yīng)用的技術(shù)

1.1 超聲波技術(shù)

超聲波是一種機(jī)械波，人耳是聽(tīng)不到的，一般頻率20000Hz左右。超聲波具有一定的傳播方向性，其常常用在檢測(cè)技術(shù)。

超聲波具有如下特點(diǎn)：波長(zhǎng)短、方向性強(qiáng)、能傳播足夠遠(yuǎn)的距離、可在各種介質(zhì)中傳播的特點(diǎn)，所以用來(lái)測(cè)量距離。

1.2 超聲波測(cè)距技術(shù)

超聲波測(cè)距技術(shù)的原理：通過(guò)超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，超聲波傳輸需要時(shí)間，記錄接受裝置接受到超聲波的時(shí)間，計(jì)算出具體的時(shí)間差，就能顯示測(cè)量距離。超聲波能測(cè)量距離主要是因?yàn)槌暡ㄔ趥鞑ミ^(guò)程中方向性好，傳播中遇到阻礙物就被反射回來(lái)，超聲波接受裝置一接受到反射信號(hào)就開(kāi)始計(jì)算測(cè)量距離。超聲波測(cè)量距離有相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法、渡越時(shí)間檢測(cè)法三種主要方法。

2 超聲波測(cè)距儀的硬件

超聲波測(cè)距儀的硬件部分包括主控制電路、超聲波傳感器、溫度的補(bǔ)償、顯示模塊、報(bào)警電路、復(fù)位電路、鍵盤(pán)控制電路設(shè)計(jì)和電源電路。

2.1 主控制電路

超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)的主控制電路考慮到McS-51單片機(jī)兼容性的要求，設(shè)計(jì)采用AT89S52單片機(jī)。它由ATMEL生產(chǎn)制造，AT89S52是一款低功耗的微控制器，具有高性能控制特性，并且具有8K的模式可編程閃存。其和工業(yè)用的80C51系列能完全實(shí)現(xiàn)兼容。通過(guò)軟件編程處理，來(lái)控制超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件功能的控制，達(dá)到傳輸數(shù)據(jù)，測(cè)量距離的目的。

2.2 超聲波傳感器

本系統(tǒng)采用超聲波傳感器，超聲波傳感器還稱為超聲波換能器。不同的超聲波傳感器，根據(jù)其實(shí)現(xiàn)的物理效應(yīng)分為很多的種類。本系統(tǒng)應(yīng)用的超聲波傳感器分為超聲波信號(hào)發(fā)射電路和超聲波信號(hào)接收電路。系統(tǒng)在戶外應(yīng)用的時(shí)候，應(yīng)考慮到防水和信號(hào)穩(wěn)定程度，以便于測(cè)量。

2.2.1 超聲波信號(hào)發(fā)射電路

超聲波信號(hào)發(fā)射電路采用74LS04反相器，超聲波測(cè)距的原理為發(fā)射的信號(hào)碰到被測(cè)物體被反射回并接受，精確測(cè)量這段時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出我們與被測(cè)物體的距離，因此74LS04反相器采用兩個(gè)，并且并聯(lián)，已達(dá)到好的測(cè)量效果。除此還用到超聲波發(fā)射換能器T來(lái)加強(qiáng)超聲波信號(hào)發(fā)射的強(qiáng)度。

2.2.2 超聲波信號(hào)接收電路

超聲波信號(hào)接收電路主要采用CX20106A集成電路芯片。它是一種基于紅外線檢波接收的芯片，具有抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度高的特性，因此常用于作為超聲波信接收裝置。其對(duì)接收來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，使信號(hào)更加穩(wěn)定，整個(gè)過(guò)程中其放大增益可達(dá)80db。

2.3 溫度的補(bǔ)償

因?yàn)椴煌牡赜蚝筒煌臅r(shí)間月份都存在明顯的溫差，溫度的改變會(huì)影響超聲波速度的測(cè)量，所以超聲波測(cè)距儀需要溫度補(bǔ)償電路，達(dá)到優(yōu)良的精度。本系統(tǒng)的溫度的補(bǔ)償應(yīng)用溫度傳感器DS18B20 ，DS18B20操控能力強(qiáng)并適合于遠(yuǎn)距離傳送，工作時(shí)同超聲波共同測(cè)量數(shù)據(jù)。DS18B20采集數(shù)字溫度測(cè)量信號(hào)傳輸給單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。

2.4 顯示模塊

通過(guò)顯示模塊顯示超聲波測(cè)距儀的測(cè)量距離，還可以顯示當(dāng)前的溫度數(shù)值。超聲波測(cè)距儀的顯示模塊采用液晶顯示屏LCD1602來(lái)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。液晶顯示屏LCD1602的顯示的原理是根據(jù)液晶屏的物理特性，應(yīng)用控制電壓的高低顯示信號(hào)和圖形。LCD1602是一種常用的顯示屏，其具有造價(jià)低，圖像清晰、功耗低的特點(diǎn)。

2.5 報(bào)警電路

報(bào)警電路主要采用蜂鳴器和三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)在測(cè)量時(shí)，前方有障礙物超過(guò)預(yù)設(shè)的距離，超聲波測(cè)距儀會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)來(lái)提示操作者；當(dāng)前方有障礙物沒(méi)超過(guò)預(yù)設(shè)的距離，單片機(jī)會(huì)控制蜂鳴聲音。報(bào)警電路與單片機(jī)相連接，通過(guò)單片機(jī)設(shè)定來(lái)控制。

2.6 復(fù)位電路

當(dāng)系統(tǒng)接通電源，復(fù)位電路起到初始化的作用，復(fù)位之后再運(yùn)行操作程序。在按下復(fù)位鍵后，電路中的電容器快速放電，系統(tǒng)恢復(fù)到初始化狀態(tài)；在復(fù)位鍵松開(kāi)后，電容器充電過(guò)程，這樣就實(shí)現(xiàn)了復(fù)位過(guò)程。

2.7 鍵盤(pán)控制電路設(shè)計(jì)

在控制電路的鍵盤(pán)控制電路設(shè)計(jì)中，采用兩個(gè)單獨(dú)的按鍵，兩個(gè)按鍵與單片機(jī)的引腳P3.4和P3.5相連。當(dāng)按下其中一個(gè)按鍵，超聲波測(cè)距儀啟動(dòng)，開(kāi)始工作。當(dāng)按下另一個(gè)按鍵，超聲波測(cè)距儀停止，結(jié)束工作。

2.8 電源電路

電源電路主要作用是給超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)供電。本系統(tǒng)采用的是9V電池供電電路，電流通過(guò)LM7805三端穩(wěn)壓器起到穩(wěn)定電壓作用，LM7805輸出恒定直流電5V供給系統(tǒng)供電。

[1]胡萍.超聲波測(cè)距儀的研制[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化.2013（10）.

[2]楊偉峰.數(shù)字式超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)[J].傳感器世界.2016（3）.

[3]孔德華.談超聲波測(cè)距儀硬件系統(tǒng)中的單片機(jī)系統(tǒng)[J].電子世界 .2011（12）.

Research and design of ultrasonic range finder

Yang Yang
（Dalian Institute of Science and Technology，Dalian Liaoning，116052）

This paper introduces a kind of intelligent ultrasonic distance measurement based on ultrasonic technology, the ultrasonic sensor, MCU STC89C52 as micro controller, external compensation, display module,alarm circuit, reset circuit, keyboard control circuit and power supply circuit design temperature.

ultrasonic;sensor;MCU