姚旺

(濟(jì)寧技師學(xué)院,山東濟(jì)寧 272000)

基于AT89S52單片機(jī)的超聲波測距儀設(shè)計(jì)

姚旺

(濟(jì)寧技師學(xué)院,山東濟(jì)寧 272000)

本文詳細(xì)介紹了基于單片機(jī)控制的超聲測距儀的原理,整個(gè)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(zhǔn)確度高、可讀性強(qiáng)和流程清晰等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)后的產(chǎn)品可用于需要測量距離參數(shù)的各種應(yīng)用場合。

AT89S52單片機(jī) 超聲波 測距

超聲波測距由于其科研技術(shù)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(shù)，它可以在不接觸到被測物體時(shí)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(yuǎn)的利益看，是有很大的研究價(jià)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(jī)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(jī)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(shí)間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法。本設(shè)計(jì)采用往返時(shí)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(dá)測量目標(biāo)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(shí)間即往返時(shí)間，往返時(shí)間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)。測試傳輸時(shí)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(shí)間為t／s，超聲波傳播速度為v／m·s－1表示，則有關(guān)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(shí)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(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，即用超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)送超聲波，同時(shí)在發(fā)射的時(shí)候開始計(jì)時(shí)，在超聲波遇到障礙物的時(shí)候反射回來，超聲波接收器在接收到反射回來的超聲波時(shí)，停止計(jì)時(shí)。設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為V，在空氣中的傳播時(shí)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(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本設(shè)計(jì)決定采用AT89S52單片機(jī)作為主控制器，用動態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時(shí)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(jī)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(qiáng)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(shè)計(jì)采用74LS04芯片進(jìn)行信號的放大。工作時(shí)，由單片機(jī)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(shè)計(jì)

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(shí)，超聲波信號接收裝置會受到很大的影響。因此，我們還要設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波放大電路。讓超聲波能夠接收到這個(gè)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(gòu)成，CX20106A芯片電路可以對超聲波信號進(jìn)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(gè)低電平到單片機(jī)去請求中斷，當(dāng)即單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，并開始去進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。因?yàn)镃X20106A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(shè)計(jì)的要求。由于在設(shè)計(jì)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(jié)語

利用51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的測距儀便于操作、讀數(shù)直觀。經(jīng)實(shí)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(jià)比。由于該系統(tǒng)中鎖相環(huán)鎖定需要一定時(shí)間，測得的距離有誤差，在汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用中可忽略不計(jì);但在精度要求較高的工業(yè)領(lǐng)域如機(jī)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(yīng)用實(shí)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(bǔ)償?shù)拇a，使誤差進(jìn)一步減小，可以滿足更高要求。

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