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(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路等模塊組成。此系統(tǒng)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(yōu)點。實現(xiàn)后的產(chǎn)品可用于需要測量距離參數(shù)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(guī)模生產(chǎn)、推廣。所以我們現(xiàn)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(zhì)、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(zhì)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(jié)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(fā)生器可以分為兩大類:一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)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(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。他們所產(chǎn)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(fā)生器。在超聲波測量系統(tǒng)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(fā)分體式超聲傳感器，由一支發(fā)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(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達測量目標或障礙物后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)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(zhì)中的傳播速度單位為m／s。

3 超聲波測距儀系統(tǒng)

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(yōu)點，即用超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)送超聲波，同時在發(fā)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(shù)碼管顯示出來。根據(jù)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(tài)掃描法實現(xiàn)數(shù)碼管數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器完成。

圖1 數(shù)碼管電路

3.1 超聲波發(fā)射電路

通過分析，用單片機P0.1發(fā)射一組方波脈沖信號，其輸出的波形是穩(wěn)定可靠的，但輸出電流和輸出功率很低，不能夠推動發(fā)射傳感器發(fā)出足夠強度的超聲信號，所以超聲波發(fā)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(chǎn)生的40KHZ的脈沖信號從P0.1口向超聲波的發(fā)發(fā)射電路發(fā)出信號，在經(jīng)放大電路放大后，驅(qū)動超聲波探頭將超聲波發(fā)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(shù)據(jù)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(fā)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(shù)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(shù)直觀。經(jīng)實際測試證明，該類測距儀工作穩(wěn)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(tǒng)中鎖相環(huán)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(yè)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(xiàn)對超聲波的快速鎖定或根據(jù)自己的需要在程序中加入測距軟件補償?shù)拇a，使誤差進一步減小，可以滿足更高要求。

[1]孫琳琳,石飛飛.一種高精度超聲波測距儀的設計與實現(xiàn)[J].科學技術與工程,2010(3).

[2]陳榮,楊喜嶺.基于TDC-GP21的高精度超聲波測距儀設計[J].儀表技術,2013(4).

[3]趙旭峰.基于S3C2410的超聲波測距儀的設計[J].硅谷,2010(22).