林二妹

(閩南理工學院， 福建 石獅 362700)

0 引言

超聲波是指頻率高于20Hz的機械波，是由機械振動產生的,可在不同介質中以不同的速度傳播.由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，而且在介質中傳播的距離較遠，反射能力較強，另外，測量時與被測物體無直接的接觸，還能清晰穩(wěn)定的顯示出測量結果，所以超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn).超聲測距是一種非接觸式的檢測方式.對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應能力.因此在液位測量、車輛自動導航等方面有著廣泛的應用.特別是應用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結構信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準確度也較其它方法為高.

1 超聲波測距原理

超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離.實現(xiàn)超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等.

本測距系統(tǒng)采用超聲波渡越時間檢測法，其原理為: 檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質的傳播到接收器的時間，即渡越時間.渡越時間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x.超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時單片機開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時.再由單機計算出距離，送LED數(shù)碼管顯示測量結果.

超聲波在空氣中的傳播速度隨溫度變化，其對應值如表1，根據(jù)計時器記錄的時間t(見圖1)，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s) ，即s=v*t/2.

表1 聲速與溫度的關系

圖1 超聲波測距時序圖

2 單片機超聲波測距系統(tǒng)設計框圖

單片機超聲測距系統(tǒng)框圖如圖2.該系統(tǒng)由單片機控制模塊、超聲波發(fā)射電路和接收電路、顯示電路、供電電源及報警電路組成[1].

圖2 系統(tǒng)設計框圖

3 單片機超聲波測距系統(tǒng)硬件電路設計

本設計主要包括單片機控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路和接收電路、顯示電路、供電電源、報警輸出電路等幾部分[2].

3.1 單片機控制系統(tǒng)

超聲波測距單片機控制系統(tǒng)采用AT89S51為核心芯片，系統(tǒng)晶振采用12 MHz的晶振.各端口定義為：P2.7為輸出超聲波換能器所需的40 kHz的方波信號，P3.5為監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號.顯示電路采用三位一體LED數(shù)碼管，P2口為段碼輸出， P3.2、P3.3、P3.4為位碼輸出端,P3.1、P0.2為報警控制端口，P3.6為數(shù)值調整鍵，P3.7為功能鍵[3].該系統(tǒng)如圖3所示.

圖3 超聲波測距單片機控制系統(tǒng)

3.2 超聲波發(fā)射電路和接收電路

3.2.1 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路如圖4所示，超聲波發(fā)射電路由電阻R1、三極管BG1、超聲波脈沖變壓器B及超聲波發(fā)送頭T40構成，超聲波脈沖變壓器的作用是提高加載到超聲波發(fā)送頭兩端的電壓，以提高超聲波的發(fā)射功率，從而提高測量距離.

由AT89S51單片機的P2.7輸出40 kHz的方波，經(jīng)三極管BG1推動超聲波脈沖變壓器，在脈沖變壓器次級形成60 VP-P的電壓，加載到超聲波發(fā)送頭上，驅動超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波.

圖4 超聲波發(fā)射電路

3.2.2 超聲波接收電路

超聲波接收電路如圖5所示，接收電路由BG2、BG3組成的兩級放大電路構成.超聲波的檢波電路、比較整形電路由C8、D5、D6及BG4組成.發(fā)送出的超聲波，遇到障礙物后，產生回波，反射回來的回波由超聲波接收頭接收到.由于反射回來的超聲波信號非常微弱，所以接收到的信號加到BG2、BG3組成的兩級放大器上進行放大.每級放大器的放大倍數(shù)為70倍.放大的信號通過I N 4148檢波二極管檢波得到解調后的信號，最后輸出一負跳變，輸入單片機的P3.5腳.

圖5 超聲波接收電路

3.3 顯示電路

顯示電路采用三位一體LED 數(shù)碼管顯示所測距離值，如圖6.數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示，段碼輸出端口為單片機的P2口，位碼輸出端口分別為單片機的P3.4、P3.2、P3.3口,數(shù)碼管位驅運用PNP三極管要S8550驅動.

圖6 顯示部分電路結構

3.4 供電電源電路

供電電源電路采用LM7805集成穩(wěn)壓器作為穩(wěn)壓器件，220 V電源經(jīng)降壓、整流、濾波后送入LM7805穩(wěn)壓，輸出端接一個470 uF和0.1 uF電容濾除紋波，得到+5 V穩(wěn)壓電源，電路如圖7所示.同時為調試系統(tǒng)方便，供電方式另采用由電腦USB接口供電.

圖7 供電電源電路

3.5 報警輸出電路

為提高測距系統(tǒng)的實用性，本測距系統(tǒng)的報警輸出提供開關量信號及聲響信號兩種方式.

方式一：報警信號由單片機P3.1端口輸出，繼電器控制，可驅動較大的負載，電路由電阻R6、三極管BG9、繼電器JDQ組成，當測量值低于事先設定的報警值時，繼電器吸合，測量值高于設定的報警值時，繼電器斷開.

方式二：報警信號由單片機P0.2口輸出，提供聲響報警信號，電路由電阻R7、三極管BG8、蜂鳴器BY組成，當測量值低于事先設定的報警值時，蜂鳴器發(fā)出“滴、滴、滴…..”報警聲響信號，測量值高于設定的報警值時，停止發(fā)出報警聲響.報警輸出電路如圖8.

圖8 報警輸出電路

4 單片機超聲波測距系統(tǒng)軟件設計

單片機超聲波測距系統(tǒng)的軟件設計采用C語言編程.設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序及顯示子程序幾部分組成[4].超聲波測距程序流程圖如圖9.

圖9 超聲波測距程序流程圖

本設計主程序首先是對系統(tǒng)初始化，設定時器0為計數(shù)，1為定時.置位總中斷允許位EA.進行程序主程序后，進行定時測距判斷，當測距標志位EC=1時，測量一次，程序設計超聲波測距頻度是4～5次/秒.測距間隔中，整個程序主要進行循環(huán)掃描顯示測量結果.當調用超聲波測距子程序后，首先由單片機產生4個頻率為38.46 kHz超聲波脈沖，加載到超聲波發(fā)頭上.超聲波頭發(fā)送完超聲波后，計時器T0開始計時，為了避免超聲波從發(fā)射頭直接傳送到接收頭引起的直射波觸發(fā)，這時，單片機延時約1.5～2 ms后，才啟動對單片機P3.5腳的電平判斷程序.當檢測到P3.5腳的電平由高轉為低時，T0停止計時[5].由于單片機采用的是12 MHz的晶振，計時器每計一個數(shù)就是1μs，當超聲波測距子程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)(即超聲波來回所用的時間)按公式計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離.

5 系統(tǒng)安裝與調試

編寫程序與調試，用編程器將KEIL軟件對應源程序編譯生成.HEX文件燒寫到AT89S51單片機中.按圖焊接硬件電路，焊接完后單獨測試確保整個系統(tǒng)能正常工作，最后將寫好的單片機插入到測距板上，通電后將測距板的超聲波頭對著墻面往復移動，看數(shù)碼管的顯示結果會不會變化，在測量范圍內能否正常顯示.如果一直顯示“---”，則需將下限值增大.本測距板1 s測量4～5次，超聲波發(fā)送功率較大時，測量距離遠，則相應的下限值(盲區(qū))應設置為高值.試驗板中的聲速沒有進行溫度補償，聲速值為340 m/s，該值為15℃時的超聲波值.

經(jīng)測試表明，本系統(tǒng)實現(xiàn)了預期的控制要求.

6 結束語

本系統(tǒng)利用單片機AT89S51實現(xiàn)超聲波測距功能，該系統(tǒng)設計合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測速度快、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)的要求.可應用于汽車的倒車雷達、機器人自動避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，如：液位、井深、管道長度等場合.該設計具有很大的現(xiàn)實意義.

[1] 沈紅衛(wèi).基于單片機智能系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[2] 趙建領,薛園園.51單片機開發(fā)與應用技術詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[3] 樓然苗,李光飛.51系列單片機設計實例[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[4] 楊國田,白 焰,董 玲.51單片機實用C語言程序設計[M].北京：中國電力出版社,2009.

[5] 李鳴華，余水寶.單片機在超聲波料位測量中的應用[J].電子技術應用，1998，24(9)：14-16.