劉義杰，王薪巖，錢 躍（沈陽(yáng)工學(xué)院，遼寧撫順，113122）

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基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距裝置設(shè)計(jì)

劉義杰，王薪巖，錢 躍
（沈陽(yáng)工學(xué)院，遼寧撫順，113122）

摘要：本文論述了基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距裝置設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)過(guò)程。本裝置采用單片機(jī)作為控制器的核心進(jìn)行控制。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，超聲波發(fā)送模塊向后發(fā)射40kHz的超聲波信號(hào)，遇障礙物反射，由超聲波接收模塊收集，進(jìn)行放大和比較，同時(shí)將此信號(hào)送入顯示模塊，當(dāng)與障礙物距離小于設(shè)定距離時(shí)，發(fā)出報(bào)警聲。

關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距；單片機(jī)；報(bào)警

超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器，在本裝置中使用脈沖反射式超聲波傳感器。超聲波測(cè)距是通過(guò)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為C，而根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離L。

本裝置采用的超聲波是40kHz。超聲波的縱向分辨率較高，對(duì)色彩和光照度不敏感，對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可以用于測(cè)量較近目標(biāo)的距離。本裝置采用的超聲波傳感器往返距離為15m，在有灰塵、煙霧、強(qiáng)磁場(chǎng)干擾、有毒等各種環(huán)境下都能穩(wěn)定工作。

構(gòu)成超聲測(cè)距系統(tǒng)的電路功能模塊包括發(fā)射電路、接收電路、顯示電路、核心功能模塊、單片機(jī)控制器及一些輔助電路。低頻信號(hào)發(fā)生器中采用了AT89S51作為控制核心器件在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起著主要作用。

圖1 測(cè)距的電路原理框圖

采取收發(fā)分離方式有兩個(gè)好處：一是收發(fā)信號(hào)不會(huì)混疊，接收探頭所接收到的純?yōu)榉瓷湫盘?hào)；二是將接收探頭放置在合適位置，可以避免超聲波在物體表面反射時(shí)造成的各種損失和干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，選擇了超聲波測(cè)距，最大探測(cè)距離為4m，最小探測(cè)距離0.2m，發(fā)射擴(kuò)散角為60°。同時(shí)，采用單片機(jī)作為主控制器，實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成，超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

通過(guò)單片機(jī)的I/O口控制超聲波發(fā)射電路發(fā)出40kHz的超聲波，與此同時(shí)單片機(jī)內(nèi)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)；經(jīng)過(guò)延遲后開(kāi)啟超聲波接收電路，當(dāng)接收電路收到經(jīng)障礙物反射的回波后，計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)結(jié)束。通過(guò)單片機(jī)計(jì)算出即時(shí)距離，在顯示電路顯示出來(lái)，若低于設(shè)定距離則開(kāi)啟報(bào)警。

測(cè)量過(guò)程是由單片機(jī)部分和超聲波信號(hào)處理電路共同完成的，一次測(cè)量的全過(guò)程為40ms。發(fā)射時(shí)，將40kHz的超聲波信號(hào)和一個(gè)同步脈沖信號(hào)加到與門，同步脈沖信號(hào)通過(guò)與門控制發(fā)射超聲波。單片機(jī)將同步脈沖的起始時(shí)刻定為， 超聲波接收電路將接收到的信號(hào)加到單片機(jī)中，若檢測(cè)到信號(hào)，則記下該時(shí)刻，由時(shí)間差，即可算得障礙物與超聲探頭之間的距離。若單片機(jī)系統(tǒng)接收不到超聲波回波信號(hào)，則到40ms時(shí)重復(fù)上述過(guò)程開(kāi)始下一輪的循環(huán)。

在超聲波發(fā)出后，如果直接進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)，則勢(shì)必浪費(fèi)時(shí)間，因?yàn)榇讼到y(tǒng)有最小測(cè)量距離，當(dāng)距離最小時(shí)，即為時(shí)間差最小，記為，所以此時(shí)間可以用來(lái)處理別的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中計(jì)算子程序就是在此時(shí)間里完成的，這樣就節(jié)省了一些時(shí)間。

超聲波測(cè)距裝置的工作流程如下：首先開(kāi)啟電源，直接進(jìn)行測(cè)距，數(shù)值顯示在數(shù)碼管上，數(shù)碼管上的數(shù)字是以厘米為單位的，在此過(guò)程中，單片機(jī)的初始化和定時(shí)中斷子程序都隨之進(jìn)行，通過(guò)超聲波發(fā)射器將電路產(chǎn)生的超聲波由發(fā)射端發(fā)出，遇障礙物反射回接收極，信號(hào)通過(guò)電路整合成電信號(hào)反饋回單片機(jī)，再由單片機(jī)發(fā)出指令顯示在數(shù)碼管上，外部中斷子程序，如在4m之內(nèi)沒(méi)有遇到障礙物，接收極不回受到反饋信號(hào)，沒(méi)有回波，無(wú)顯示。主程序及中斷服務(wù)程序流程圖如圖2所示。

定時(shí)器中斷程序其目的是控制系統(tǒng)發(fā)射超聲波，過(guò)程為先將定時(shí)器初始化，然后開(kāi)始發(fā)射超聲波如果三個(gè)方向均發(fā)生完超聲波后則停止發(fā)射，否則停止發(fā)射。啟動(dòng)計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，接受到一個(gè)40kHz的方波信號(hào)，超聲波發(fā)送完畢，進(jìn)入延時(shí)，避開(kāi)發(fā)射的直達(dá)聲波信號(hào) ，開(kāi)啟接收回波中斷，收到回波時(shí)進(jìn)入，關(guān)計(jì)數(shù)器，將計(jì)數(shù)值移入處理單元，接收成功標(biāo)志，發(fā)射停止，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

利用單片機(jī)設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距裝置便于操作、讀數(shù)直觀。經(jīng)實(shí)際測(cè)試證明，該類測(cè)距裝置工作穩(wěn)定，能滿足一般近距離測(cè)距的要求，且成本較低、有較高的性價(jià)比。本超聲波測(cè)距裝置可應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合，設(shè)計(jì)實(shí)用性極強(qiáng)。但應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用會(huì)存在一些問(wèn)題，可以根據(jù)具體情況加以改進(jìn)。

圖2 主程序及中斷服務(wù)程序流程圖

參考文獻(xiàn)

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Ultrasonic distance measurement device based on SCM

Liu Yijie，Wang Xinyan，Qian Yue
（Shenyang Institute of Technology，F(xiàn)ushun Liaoning，113122）

Abstract：This article elaborates design proposal and the development of Ultrasonic distance measurement device based on SCM.This design uses the SCM as controller's core to carry on the control.When system automatic start，the ultrasonic wave transmission module launches 40kHz the ultrasonic wave signal backward，it meets the obstacle reflection and carries on the enlargement and the comparison by the supersonic reception module collection， the microcomputer sends this signal into the display module，simultaneously triggers the sound alarm circuit，sends out the sound prompt.When it is smaller than with the obstacle distance 0.8m，exudes the different warning sound，reminds the driver to stop.

Keywords：Ultrasonic distance measurement；Singal-chip microcomputer；Alarm