基于單片機(jī)超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廈門惠爾潔衛(wèi)浴科技有限公司 楊 斌 鄭翔驥

湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 佘明輝

引言

超聲波具有較強(qiáng)指向性，能量損耗少，較遠(yuǎn)的傳播距離，因此距離的測量通常用超聲波來測量。易于實(shí)時(shí)控制、計(jì)算簡便、使用方便迅速是超聲波檢測的特點(diǎn)，而且在測量精度上，超聲波檢測也能夠達(dá)到工業(yè)設(shè)備控制的需求[1-4]。為了使測距系統(tǒng)及時(shí)獲取距障礙物的距離信息（距離和方向），設(shè)計(jì)一種超聲波測距器，能使被測量物在測量時(shí)沒有直接接觸，就能夠直觀地且穩(wěn)定顯現(xiàn)所測結(jié)果數(shù)據(jù)。廣泛應(yīng)用于汽車倒車、機(jī)器人、建筑業(yè)等位置的檢測監(jiān)控，還可以用在水位深度、管道長度的測量等場合[5-7]。

1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制器、超聲波發(fā)射器、超聲波接收器、LED顯示器、電源電路等五大部分組成。單片機(jī)控制器(微處理器8051)先把P2.7口置0，啟動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器T0開始計(jì)數(shù)進(jìn)行檢查是否有聲波返回，當(dāng)發(fā)射出來的超聲波信號(hào)遇到物體時(shí)信號(hào)立即反射回來，此時(shí)單片機(jī)控制器不停地計(jì)數(shù)掃描INT0引腳，當(dāng)INT0接收到的超聲波反射信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)表明超聲波信號(hào)已經(jīng)返回，單片機(jī)控制器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時(shí)器[1]。同時(shí)定時(shí)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可得到超聲波傳感器所測得的有關(guān)數(shù)值，并通過單片機(jī)控制器處理送至LED顯示器而顯示出來。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用超聲波往返時(shí)間檢測法是數(shù)字顯示超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，其原理為：假設(shè)傳播介質(zhì)為氣體，從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波進(jìn)行檢測，就是超聲波往返時(shí)間。即經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間[2]。從而可推算出聲波傳輸?shù)木嚯x，即氣體介質(zhì)中的聲速與往返時(shí)間的乘積。然而聲波傳輸距離的一半才是真正所要測距離，設(shè)待測距離用L表示，為超聲波的聲速用V表示，往返時(shí)間T表示。則：

前方測距電路的輸出端接至單片機(jī)控制器INT0端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高。左、右測距電路的輸出端接至單片機(jī)INT1端口，而左、右測距電路的輸出是通過與門電路輸出的，與門電路的輸入端接到單片機(jī)P1.3口和P1.4口，中斷優(yōu)先級(jí)為先右后左，中斷源的識(shí)別是由單片機(jī)控制器程序查詢來處理[3]。

2.1 系統(tǒng)發(fā)射電路

系統(tǒng)發(fā)射電路實(shí)際上是用單片機(jī)控制器中的壓控晶振控制產(chǎn)生波形為方波、頻率為40KHz的超聲波信號(hào)，然后該信再通過驅(qū)動(dòng)放大后進(jìn)行發(fā)射。而單片機(jī)控制器中傳感器發(fā)射電壓信號(hào)的大小主要取決于發(fā)射信號(hào)損失程度和接收器的靈敏度，其中信號(hào)損失包括往返傳播、聲波傳輸和聲波反射以及環(huán)境噪聲等損失。由于系統(tǒng)的電源容易對發(fā)射端產(chǎn)生干擾，會(huì)影響系統(tǒng)發(fā)射電路的正常工作，為此，可選擇容量大小適當(dāng)?shù)臑V波電容把相關(guān)的干擾信號(hào)消除掉。發(fā)射電路如圖2所示。圖中單片機(jī)P1.0口輸出為單片機(jī)控制產(chǎn)生40KHz的方波信號(hào)，三極管8050構(gòu)成放大器為驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路的作用是對方波信號(hào)進(jìn)行放大。

圖2 超聲波發(fā)射電路

2.2 系統(tǒng)接收電路

系統(tǒng)接收電路的作用是對發(fā)射信號(hào)進(jìn)行接收，并對有用的信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)對一些的噪聲和干擾信號(hào)加以抑制，從而使該系統(tǒng)接收電路達(dá)到最大的信噪比，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。如圖3超聲波接收電路原理圖。超聲波接收傳感器接收到超聲波回波信號(hào)，該信號(hào)通過隔直電容進(jìn)行濾波后，再經(jīng)過一級(jí)放大器和二級(jí)放大器進(jìn)行兩級(jí)放大后,信號(hào)通過耦合電容送入單片機(jī)P0端口。在解碼器的輸出端有信號(hào)時(shí)將得到低電平進(jìn)入單片機(jī)以產(chǎn)生中斷用于計(jì)時(shí)。

圖3 超聲波接收電路原理圖

當(dāng)接收模塊接收到發(fā)送模塊發(fā)出的40KHZ超聲波信號(hào)時(shí)候，便產(chǎn)生諧振，經(jīng)過VT1和VT2組成直耦式放大電路放大后，經(jīng)過C1后送入單片機(jī)口，給予中斷。如圖3所示由于在距離較遠(yuǎn)的情況下，聲的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的幅值也較小，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)對超聲波檢測的距離要求太遠(yuǎn)，因此只需將這較為微弱的信號(hào)放大100倍左右。為此采用三級(jí)管兩級(jí)放大，前級(jí)放大器放大50倍后再由后級(jí)放大器進(jìn)行放大到要求的倍數(shù)即可。

2.3 集成鎖相環(huán)路解碼LM567連接電路圖

集成鎖相環(huán)路解碼LM567連接電路圖如圖4所示。集成LM567為鎖相環(huán)路解碼，鎖相環(huán)路利用相位同步的原理，使可變頻率振蕩器的頻率鎖定在基準(zhǔn)頻率上。解碼器的輸出頻率為可變振蕩器的頻率，將可變頻率振蕩器的頻率與晶體振蕩器的基準(zhǔn)頻率一起，加到相位檢波電路上進(jìn)行鑒相，當(dāng)可變頻率振蕩器發(fā)生頻率漂移時(shí)，相應(yīng)發(fā)生相位漂移，鑒相器便輸出一個(gè)直流電壓，再用此直流電壓去控制可變振蕩器，將其頻率拉回到原始值，即把振蕩器的頻率鎖定在基準(zhǔn)頻率上。解碼器中心頻率由電壓控制振蕩器確定。該壓控振蕩器中心頻率大小由外接電阻R和電容C元件來獨(dú)立設(shè)定。

圖5 顯示電路

圖6 電源電路

圖4 LM567外部連接圖

鎖相環(huán)的解碼集成塊LM567，其內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻f0，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，可變分頻器的輸出頻率fN等于參考頻率fR，而fR=f0/N，所以VCO輸出頻率f0與參考頻率fR的關(guān)系是f0=NfR，則集成塊LM567輸出端8腳由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，作為中斷請求信?hào)，送至單片機(jī)處理[4]。

2.4 顯示電路

顯示電路由單片機(jī)8051中的P1口、P2口、4位共陰LED顯示器。如圖5所示。

LED選用共陰極的四段譯碼管，并采用動(dòng)態(tài)顯示原理，即由低位到高位，一位一位顯示。對于每一位顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。因此，控制顯示器公共陰極電位的I/O口只需一個(gè)，現(xiàn)選用PB口（稱為掃描口）、即用PB口輸出位選碼[5]。位選碼中為0的位是被選中的顯示位。4位二進(jìn)制代碼中，每次只有一位為0的被選位。此外，控制各位顯示器所顯示的字形也需一個(gè)I/O口，現(xiàn)選用PA口。PA口的輸出與LED相連，完成“段選”功能[6]。

2.5 電源電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)需要+5V的電源供電，由交流電220V經(jīng)過變壓器變壓變?yōu)榻涣麟?5V，然后通過橋式整流電路后變成脈動(dòng)的直流電，再經(jīng)過和濾波電路進(jìn)行濾波后得到較平穩(wěn)的直流電信號(hào)，最后將較平穩(wěn)的直流電信號(hào)經(jīng)過一個(gè)穩(wěn)壓管7805組成三端穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓后得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電5V。本電源電路設(shè)計(jì)就是采用直流穩(wěn)壓電源提供，電源電路如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分分別是主程序和中斷服務(wù)程序。以下是超聲波測距離的程序流程框圖，主程序流程圖如圖7所示，中斷服務(wù)程序流程圖如圖8所示。

圖7 主程序流程圖

圖8 中斷服務(wù)程序流程圖

如圖7主程序流程圖主要是完成單片機(jī)初始化工作、定時(shí)中斷服務(wù)子程序和外部中斷服務(wù)子程序的控制。主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當(dāng)按下測量鍵時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入初始化工作，然后轉(zhuǎn)入定時(shí)中斷服務(wù)子程序，此時(shí)主程序開始調(diào)用發(fā)射子程序進(jìn)行超聲波發(fā)射。之后查詢接收子程序判斷是否有回波，若有，則進(jìn)入外部子程序工作，若無，則進(jìn)入定時(shí)子程序。如圖8中斷服務(wù)程序流程圖主要是外部子程序、定時(shí)子程序的工作。其中，定時(shí)中斷服務(wù)子程序主要完成輪流發(fā)射三方向超聲波的控制和關(guān)斷發(fā)射等，外部中斷服務(wù)子程序主要完成超聲波信號(hào)的讀取、計(jì)算以及結(jié)果輸出等，并將測量結(jié)果用數(shù)碼顯示器上顯示出來[7]。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)硬件設(shè)汁采用模塊化設(shè)計(jì)，由發(fā)射電路模塊、接收電路模塊、集成鎖相環(huán)路解碼模塊、顯示電路模塊、電源電路模塊等組成。并對系統(tǒng)接收的發(fā)射電路、接收電路、集成鎖相環(huán)路解碼電路、顯示電路、電源電路等進(jìn)行了較全面的分析論述。該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由主程序和中斷服務(wù)程序兩部分組成。由于超聲波測距系統(tǒng)是基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的，故該系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、電路工作可靠、測量誤差小等優(yōu)點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)電路廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和檢測系統(tǒng)中。

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[6]趙海鳴,王紀(jì)嬋,劉軍,史春雪.一種高精度超聲波測距系統(tǒng)的改進(jìn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2007.

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