黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 金 鑫

基于AT89C51的超聲波定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 金 鑫

本系統(tǒng)是向測(cè)量目標(biāo)發(fā)射超聲波脈沖然后接收相應(yīng)的反射波，由AT89C51集成的模擬比較器A檢測(cè)到達(dá)系統(tǒng)的回聲，計(jì)算時(shí)間以達(dá)到定位目的的精確測(cè)量系統(tǒng)。

超聲波；測(cè)距；定位

1.前言

本設(shè)計(jì)的主要應(yīng)用是eBeam白板，該系統(tǒng)是通過(guò)吸附于普通白板左右上角的兩個(gè)接受器接受并傳送白板筆在書(shū)寫(xiě)時(shí)發(fā)出的超聲波至本地計(jì)算機(jī)，從而將寫(xiě)于白板的任何筆跡及現(xiàn)場(chǎng)聲音記錄于本地計(jì)算機(jī)，并可通過(guò)internet及時(shí)傳送給遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)。

2.總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用超聲波發(fā)生與接收一體的裝置，通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差，然后計(jì)算出相應(yīng)的距離。

假設(shè)聲波室溫下在空氣中的速度為340米/秒，AT89CC51計(jì)算系統(tǒng)與目標(biāo)間的距離并采用LED將其顯示在四位的LED顯示器上。距離以米為單位顯示，精度為1cm。

本系統(tǒng)由超聲波測(cè)距系統(tǒng)及定位系統(tǒng)兩部分組成。

圖2-1 超聲波測(cè)距軟件原理圖

3.超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)概述

單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差，然后計(jì)算出相應(yīng)的距離。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2-2 主程序框圖

圖2-3 測(cè)量子程序

圖3-1 超聲波定位原理圖

圖3-2 定位系統(tǒng)主程序圖

圖5-1 系統(tǒng)總電路圖

本系統(tǒng)主要電路又單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)電路、超聲波發(fā)射、接收電路、LED顯示電路。

3.2.1 單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)電路

本電路由AT89C51主機(jī)、時(shí)鐘、復(fù)位電路及報(bào)警電路組成。

3.2.2 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)送器包括超聲波產(chǎn) 生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個(gè)部分，超聲波探頭選用CSB40T，可利用軟件產(chǎn)生40kHz的超聲波信號(hào)，通過(guò)輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。

3.2.3 超聲波接收電路

超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號(hào)放大電路及波形變換電路三部分。超聲波接收電路的作用是對(duì)接收的超聲波信號(hào)進(jìn)行放大，并將該信號(hào)處理成系統(tǒng)可以接收的電平信號(hào)。

3.2.4 LED顯示電路

常用的測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示器有發(fā)光二極管顯示器(簡(jiǎn)稱LED或數(shù)碼管)和液晶顯示器(簡(jiǎn)稱LCD)。由于系統(tǒng)要顯示的內(nèi)容比較簡(jiǎn)單，顯示量不多，所以選用數(shù)碼管既方便又經(jīng)濟(jì)。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、發(fā)射子程序、查蟓接收子程序、定時(shí)子程序、顯示子程序等模塊組成，軟件原理圖如圖2-1。

3.3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)首先對(duì)計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器進(jìn)行初始化，將超聲波發(fā)射端和接受端全部置1，接著檢查按鍵，然后開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量子程序，測(cè)量之后再將數(shù)據(jù)用LED數(shù)碼管顯示出來(lái)。

3.3.2 超聲波測(cè)距程序主程序流程圖如圖2-2

主程序調(diào)用測(cè)量子程序，計(jì)算子程序，顯示子程序完成一個(gè)測(cè)量周期。

3.3.3 測(cè)量子程序流程圖如圖2-3

4.超聲波定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 基本原理

在空間的某些固定位置上設(shè)立超聲波發(fā)射裝置，主體上設(shè)立接收器(反之亦可)。分別測(cè)量主體到各發(fā)射點(diǎn)的距離，經(jīng)過(guò)計(jì)算后便可得到主體的位置。

根據(jù)三角形的穩(wěn)定性，發(fā)生器1和發(fā)生器2的距離是固定的，那么如果測(cè)出物體到發(fā)生器1和發(fā)生器2的距離，就可以確定了三角形的三邊，那么三角形也就是固定的，從而達(dá)到定位的目的。

4.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

超聲波的定位系統(tǒng)的硬件電路圖實(shí)際上是由兩個(gè)超聲波測(cè)距組合而成，根據(jù)一個(gè)三角形的三邊長(zhǎng)度確定，那么這個(gè)三角形就確定的原理，從而達(dá)到定位的目的，因此我需要兩套超聲波發(fā)生器和兩套接收器，并且可選擇AT89C51的P2接口當(dāng)作超聲波發(fā)射和接收的接口，P1口用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，P0接口用作位選。

4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（程序流程圖如圖3-2）

5.結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)描述了一種采用AT89C51超低功耗微控制器的基于超聲波的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)不受光線、電磁波、粉塵等的影響，且其精度能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，適用范圍廣。

附圖：系統(tǒng)的電路總圖如圖5-1。

[1]何立民.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1990.

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[3]張海濤.基于多超聲波傳感器的避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山西科技,2006,3(01).

[4]趙廣濤,程蔭杭.基于超聲波傳感器的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,5(01).

[5]Izzularab.On-line diagnosis of incipient faults and cellulose degradation based on artificial intelligence methods.Solid Dielectrics,2004,9(5).

金鑫（1983—），男，湖北新州人，華中科技大學(xué)碩士研究生，黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系教師兼教學(xué)管理。