王懿川/上海師范大學(xué)天華學(xué)院

0 引言

超聲波具有定向性好、能量集中、在傳輸過程中衰減較小、反射能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，超聲波傳感器可廣泛應(yīng)用于非接觸式檢測(cè)方法，因而采用仿真技術(shù)進(jìn)行超聲波測(cè)距。

目前國內(nèi)的超聲波測(cè)距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量準(zhǔn)確度。通過分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，設(shè)計(jì)的高準(zhǔn)確度超聲波測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量準(zhǔn)確度。

1 超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)基本原理

如圖1所示，使單片機(jī)可接收超聲波模塊輸出的距離信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行合理的處理后，在顯示模塊上實(shí)時(shí)顯示超聲波模塊與障礙物的距離。

圖1 系統(tǒng)連接示意

單片機(jī)發(fā)出40 kHz的方波信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t。再通過軟件編程進(jìn)行判別、計(jì)算，得出所測(cè)距離值并由LED數(shù)碼管顯示，其原理框圖如圖2。

發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度v在空氣中傳播，在到達(dá)被測(cè)物體時(shí)被反射返回，由接收器接收，其往返時(shí)間為t。由公式：測(cè)出的距離 L (m)=常溫下的聲速340 (m/s)×感應(yīng)時(shí)間t (s)/ 2，算出被測(cè)物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距準(zhǔn)確度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕拚?/p>

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 超聲波測(cè)距原理

單片機(jī)在 T0時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變到單片機(jī)中端口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在介質(zhì)中傳播的時(shí)間t ，由此便可計(jì)算出距離。其時(shí)序圖如圖3所示。

2.2 硬件電路

硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。單片機(jī)采用STC89C51或其兼容系列。采用12 MHz高準(zhǔn)確度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P2.4端口輸出超聲波換能器所需的40 kHz的方波信號(hào)，利用外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡單實(shí)用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用程序驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP三極管驅(qū)動(dòng)。

圖3 超聲波時(shí)序圖

2.3 各主要模塊的硬件

STC89C51芯片引腳與封裝如圖4所示。

圖4 STC89C51引腳

引腳功能說明：

（1）VCC：電源電壓。

（2）GND：接地。

（3）RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。

（4）/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。

（5）XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。

（6）XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。

（7）P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每腳可吸收8TTL門電流。

（8）P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能吸收或輸出4TTL門電流。

（9）P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可吸收或輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。

（10）P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可吸收或輸出4個(gè)TTL門電流。

P3口也可作為AT89C52的一些特殊功能口，如表1所示。

表1 P3特殊功能口

P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。

（11）ALE//PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。

（12）/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。

2.4 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路原理如圖5所示。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R10、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。

2.5 超聲波檢測(cè)接收電路

集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路(如圖6)。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。

圖5 超聲波發(fā)射電路原理圖

圖6 超聲波檢測(cè)接收電路

2.6 顯示電路

顯示電路采用簡單實(shí)用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP三級(jí)管驅(qū)動(dòng)。接P2.1引腳的為個(gè)位顯示數(shù)碼管，其小數(shù)點(diǎn)在P2.1有效時(shí)顯示，此功能由軟件來完成。

2.7 復(fù)位功能

系統(tǒng)應(yīng)具備測(cè)距啟動(dòng)功能，可以復(fù)位系統(tǒng)，使其開始重新測(cè)距。

綜上所述，本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)，單片機(jī)選用STC89C52，經(jīng)濟(jì)易用，且片內(nèi)有8K的ROM，便于編程。電路原理如圖7 所示。

3 軟件方案

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序設(shè)計(jì)、T0中斷服務(wù)子程序、外部中斷服務(wù)子程序、距離計(jì)算子程序、LED顯示子程序設(shè)計(jì)等。主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P2清0。

圖7 電路原理

然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約0.1 ms，然后才打開外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。

測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示約0.5 s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用C語言編寫。

3.1 主程序

·系統(tǒng)控制初始化LED、初始化計(jì)數(shù)控制部分，清除計(jì)數(shù)值。

·單片機(jī)超聲波脈沖信號(hào)。

·立刻置INT0為1，打開計(jì)時(shí)器，等待回波信號(hào)。

·回波信號(hào)到達(dá)，關(guān)閉計(jì)時(shí)器，P3.3為0，清 INT0為0。

·單片機(jī)讀出計(jì)數(shù)值。

·單片機(jī)將計(jì)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算后得出的距離值，顯示在LED上。

·當(dāng)測(cè)量距離＜10.0 cm或＞50.0 cm時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)燈亮。

·當(dāng)按下復(fù)位鍵時(shí)，啟動(dòng)復(fù)位功能。

主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程

3.2 定時(shí)中斷服務(wù)子程序

超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P3.3端口發(fā)送2個(gè)左右頻率約40 kHz的方波的超聲波脈沖信號(hào)，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。定時(shí)中斷子程序如圖9所示。

圖9 定時(shí)中斷服務(wù)子程序

3.3 功能顯示

如圖10所示，通過數(shù)碼管顯示測(cè)出距離為14.3 cm，屬于10.0 ～ 50.0 cm正常范圍。

圖10 超聲波測(cè)距正常范圍

如圖11所示，超聲波測(cè)出的距離為9.4 cm，＜10.0 cm，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，LED燈亮。

圖11 超聲波測(cè)距＜10.0 cm

如圖12所示，超聲波測(cè)出的距離為50.3 cm，＞ 50.0 cm，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，LED燈亮。

圖12 超聲波測(cè)距大于50.0 cm

如圖13所示，按下鍵盤模塊中的按鍵，復(fù)位系統(tǒng)，數(shù)碼管顯示距離數(shù)歸零。

圖13 啟動(dòng)復(fù)位功能

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