基于單片機(jī)的超聲波測距儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周晴

摘要：基于單片機(jī)作為核心環(huán)節(jié)，進(jìn)行了超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對超聲波測距儀器的工作原理做了詳細(xì)介紹，并深入分析了發(fā)射電路、接收電路以及相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)流程。通過具體實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，此超聲波測距系統(tǒng)通過對超聲波發(fā)聲子程序發(fā)送的脈沖寬度與測量間隔時間進(jìn)行修改，進(jìn)一步滿足了各種距離下的測量需求。而且，這一超聲波測距儀器所能測量的距離范圍大約在0.07-5.5m，最大誤差控制在1cm以內(nèi)。此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、價(jià)格低廉，具有廣闊的推廣前景。

關(guān)鍵詞：超聲波;超聲波測距儀;超聲波換能器

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）35-0216-02

Abstract： In this paper， A kind of ultrasonic ranging instrument Based on MCU STC89C51 is introduced. The operating principle of the instrument， ultrasonic transmitting circuit， ultrasonic receiving circuit and corresponding design of software are proposed in detail. Theexperimental results show that the system can meet the measurement requirements of different distances by modifying the pulse width of each pulse and the interval between the two measurements， the range of the instrument is 0.07～5.5m， the maximum error is not more than 1cm.It has many advantages such as simple structure， convenient operation， low price and so on. So it has widely prospect.

Key words：? MCU; ultrasonic ranging instrument; ultrasonic transducer

1 概述

在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷更新的趨勢下，現(xiàn)代化測距技術(shù)也開始實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步優(yōu)化與完善。現(xiàn)階段，測距方式相對較多，其中主要包括核輻射測距、微波測距、激光測距、超聲波測距[1，2]。核輻射會泄漏射線，直接威脅人類的身體健康，而微波測距的造價(jià)太高，激光測距則是制作難度比較大，且缺乏良好的抗干擾能力。相反，超聲波則具備較好的方向性、抗光磁干擾能力，還不受空氣能見度的影響[1，3]，所以，在醫(yī)療探傷、機(jī)器人視覺識別以及勘測等各個領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用與大力推廣。目前，國內(nèi)外相關(guān)研究主要涉獵的是擴(kuò)大量程，提高精確度，為了進(jìn)一步滿足實(shí)際需求開發(fā)的新型系統(tǒng)等范圍。王小陽等[4]研究了超聲波測距中不同的反射面粗糙度對測距精度的影響;張野[5]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于STC89C52單片機(jī)的超聲波測距儀。陸城富，許宜申等[6]就既有一維倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)難以深入探測地面狀況的相關(guān)問題，進(jìn)行了超聲波測距的二維倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文中設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(tǒng)，可以就自身具體狀況，對超聲波發(fā)聲子程序所發(fā)送的脈沖寬度與測量間隔時間進(jìn)行修改，從而去適應(yīng)各種距離的測量需求。該測距系統(tǒng)能測的范圍為0.07～5.5m，最大誤差不超過1cm。

2 系統(tǒng)的基本原理與硬件設(shè)計(jì)

2.1 超聲波測距原理

此原理與蝙蝠回聲定位的能力大體相似，主要是通過發(fā)射檢測聲波和在遇到障礙物以后的反射波之間的時間差異，進(jìn)行傳播距離計(jì)算，具體如圖1所示。

從圖1可以看出，若發(fā)射換能器和接收換能器之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于測量距離時，即θ角特別小（θ→0時，可以近似認(rèn)為cosθ=1，此時可以得到超聲波測距公式：

式中，v是聲波的傳播速度，但是很容易受溫度影響，因此需要進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。根據(jù)溫度每變化1°，速度將變化 0.607m/s以及在0°時，聲速為330m/s。可將溫度（T）和聲速的關(guān)系表示為以下公式：

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2為本文所述測距系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖，單片機(jī)選用經(jīng)濟(jì)易用，便于編程的AT89C51。就整個系統(tǒng)來說，通過單片機(jī)對超聲波發(fā)射進(jìn)行控制，并計(jì)算超聲波發(fā)射端—接收端—發(fā)射端的往返時間。其中，單片機(jī)所發(fā)出的信號，在擴(kuò)大之后，利用超聲波發(fā)射器進(jìn)行輸出。超聲波接收器在接收到超聲波的信號，并基于放大器進(jìn)行擴(kuò)大，同時使用鎖相環(huán)電路做檢波處理之后，及時啟動單片機(jī)的中斷程序，以此獲取時間，然后通過軟件判斷和計(jì)算，從而獲取距離數(shù)，最終通過LED顯示出來。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

選用經(jīng)濟(jì)易用，且片內(nèi)有4K的ROM，便于編程的單片機(jī)AT89C51為核心。通過單片機(jī)對超聲波發(fā)射進(jìn)行控制，并進(jìn)一步計(jì)算超聲波從發(fā)射到接收整個過程所利用的時間。

2.4 超聲波發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)

超聲波發(fā)射電路的組成部分主要包含反相器和超聲波發(fā)射換能器，其中單片機(jī)端口所傳輸?shù)?0kHz方波信號，一方面通過一級反向器之后，傳輸?shù)匠暡〒Q能器的電極，另一方面通過兩級反向器之后，傳輸?shù)匠暡〒Q能器的另一電極，使用推換的方式把方波信號添加進(jìn)超聲波換能器兩端上，能夠直接促進(jìn)超聲波發(fā)射強(qiáng)度的提升。輸出端利用兩個反向器進(jìn)行并聯(lián)，以此促使驅(qū)動能力得以提高。而上位電阻不僅能夠提高反向器的輸出高電平的驅(qū)動能力，還能夠進(jìn)一步強(qiáng)化超聲波換能器的阻尼效果，從而大大縮減自由振蕩的時間。

集成電路CX20106A是專用的紅外線檢波接收芯片，在電視機(jī)紅外遙控接收器上經(jīng)常見到。由于紅外遙控常用的是38kHz的載波頻率，接近于測距系統(tǒng)的超聲波頻率，能夠通過其制作超聲波檢測接收電路。而且經(jīng)過實(shí)踐表明，使用集成電路CX20106A進(jìn)行超聲波接收，其靈敏度與抗干擾能力非常強(qiáng)。而且適當(dāng)對電容C4進(jìn)行修改，能夠提高接收電路的靈敏度與抗干擾能力。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件分為兩部分，即主程序與中斷服務(wù)程序。其中主程序能夠?qū)Τ跏蓟ぷ鳌⒊暡òl(fā)射、接收順序等進(jìn)行嚴(yán)格控制。而定時中斷服務(wù)子程序主要完成的工作是三方向超聲波輪流發(fā)射。外部中斷服務(wù)子程序所需要完成的工作任務(wù)主要是讀取時間值，計(jì)算距離，輸出結(jié)果等。

4 電路調(diào)試與結(jié)果

超聲波發(fā)射與接收主要是利用Φ15的超聲波換能器TCT40-10F1（T發(fā)射）和TCT40-10S1（R接收），其中中心頻率是40kHz，在安裝的時候，保持兩個換能器的中心軸線保持平行狀態(tài)，中間距離控制在4-8cm，其他的元件并沒有特定標(biāo)準(zhǔn)要求。如果可以使用金屬殼屏蔽超聲波接收電路，那么能夠有效提高其抗干擾能力與靈敏度。就測量范圍要求的不同來講，能夠合理調(diào)整與接收換能器相連接的濾波電容大小，從而獲取最佳接收靈敏度和抗干擾能力。

在制作完成硬件電路并加以調(diào)試之后，就可以把程序編譯好，并及時下載到單片機(jī)中進(jìn)行試運(yùn)行。就具體情況來講，能夠適當(dāng)對超聲波發(fā)聲的子程序所發(fā)送的脈沖寬度與測量間隔時間進(jìn)行修改，以此適應(yīng)各種距離的測量需求。就設(shè)計(jì)的電路參數(shù)與程序來說，測距儀器所可以測量的范圍在0.07-5.5m，測距儀器的最大誤差嚴(yán)格控制在1cm以內(nèi)。在基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)調(diào)試完成之后，需要針對測量誤差與重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)并加以分析，以此優(yōu)化系統(tǒng)，確保其滿足實(shí)際使用的多元化需求。

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[6] 陸城富，許宜申，吳茂成.基于超聲波測距的二維倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015（10）：58-61，75.

[通聯(lián)編輯：光文玲]