南通開放大學(xué)　江蘇城市職業(yè)學(xué)院南通校區(qū)　顧添翼

基于STC89C52超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)

南通開放大學(xué)江蘇城市職業(yè)學(xué)院南通校區(qū)顧添翼

在現(xiàn)有的測(cè)距方案中，超聲波測(cè)距是目前應(yīng)用最為普遍的一種，它廣泛應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、水位測(cè)量、防盜、建筑施工工地等一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。本系統(tǒng)以STC89C52最小系統(tǒng)為核心，主要部件有超聲波發(fā)射接收器、檢波接收芯片CX20106A以及數(shù)碼管顯示部分等，實(shí)現(xiàn)了測(cè)距以及簡(jiǎn)單的方位判斷功能。

超聲波傳感器；測(cè)距；CX20106A；STC89C52單片機(jī)

1.系統(tǒng)的工作原理及組成

1.1系統(tǒng)的工作原理

超聲波測(cè)距是利用超聲波波長(zhǎng)較短，其繞射能力較差，反射能力較強(qiáng)的特性，使超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，并且在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播時(shí)碰到障礙物就立即返回來，當(dāng)超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。由此假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為v，根據(jù)記錄的發(fā)射超聲波和接收發(fā)射波的時(shí)間差t，即可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s為：s=（v×t）/2。

1.2系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)由單片機(jī)控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)生電路、超聲波接收處理電路和顯示電路等構(gòu)成。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，它協(xié)調(diào)和控制各部分電路的工作。工作過程：開機(jī)，單片機(jī)復(fù)位，然后控制程序使單片機(jī)產(chǎn)生的多個(gè)40KHz的方波信號(hào)加到超聲波傳感器上，觸發(fā)超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波。在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(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，超聲波接收器收到反射波立即立即停止計(jì)時(shí)，并經(jīng)過超聲波接收電路的處理產(chǎn)生一個(gè)低電平觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷0，然后單片機(jī)進(jìn)行中斷處理，通過計(jì)算將測(cè)出的結(jié)果以十進(jìn)制送數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1.1　系統(tǒng)原理框圖

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.1.1 主控芯片STC89C52簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)選用的是STC89C52系列的單片機(jī)，它是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程、高性能、低功耗、采用CMOS工藝的8位微處理器。STC89系列單片機(jī)大部分具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，可以省去購(gòu)買通用編程器的麻煩。此外由于一般的距離測(cè)量中，距離的變化速度并不太快，而且單片機(jī)us級(jí)的精度完全可以滿足系統(tǒng)測(cè)量的要求，并且成本較低。STC89C52引腳圖如圖2.1所示。

VCC（Pin40）：電源輸入，接+5V電源VSS（Pin20）：接地線

XTAL1（Pin19）：片內(nèi)振蕩電路的輸入端XTAL2（Pin18）：片內(nèi)振蕩電路的輸出端RST（Pin9）：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。

EA（Pin31）：訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，EA必須接GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應(yīng)該接VCC。

圖2.1　STC89C52引腳圖

PO口（Pin39～Pin32）：P0.0～P0.7。P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。

P1口（Pin1～Pin8）：P1.0～P1.7。P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。

P2口（Pin21～Pin28）：P2.0～P2.7。P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P2端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。

P3口（Pin10～Pin17）：P3.0～P3.7。P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P3端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。

2.1.2時(shí)鐘電路

本系統(tǒng)采用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式，在XTAL1和XTAL2引腳上外接12MHZ石英晶體和兩個(gè)20pF電容組成并聯(lián)諧振回路，使單片機(jī)內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生自激振蕩。

2.1.3復(fù)位電路

本系統(tǒng)中采用上電/按鍵手動(dòng)復(fù)位，除了具有上電自動(dòng)復(fù)位功能外，若工作過程中需要復(fù)位，只需按復(fù)位鍵，在RESET端就產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位高電平。

2.2超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用軟件程序產(chǎn)生40KHz方波信號(hào)，由單片機(jī)P1.0端口輸出，將方波信號(hào)經(jīng)反響器加到超聲波換能器的兩端，提高超聲波發(fā)射強(qiáng)度。超聲波發(fā)射電路原理圖如圖2.2所示。

圖2.2　超聲波發(fā)射電路原理圖

2.3超聲波接收電路設(shè)計(jì)

超聲波接收電路包括超聲波接收探頭和CX20106A處理兩部分。超聲波接收探頭與發(fā)射探頭型號(hào)，頻率一致。CX20106是一款紅外線檢波接收的芯片，它由前置放大器、檢波器、帶通濾波器、限幅放大器、積分整型電路等組成，其中濾波器中心頻率為30K-60KHz。CX20106更多的被用于電視機(jī)紅外遙控接收器，這里由于紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測(cè)距超聲波頻率40kHz較為接近，所以本系統(tǒng)中就可以利用它來進(jìn)行超聲波檢測(cè)，并且該芯片內(nèi)集成前置放大器，可以用來將超聲波接收器是輸出的毫伏級(jí)電壓進(jìn)行放大，以觸發(fā)單片機(jī)中斷處理。超聲波接收電路原理圖如圖2.3所示。

圖2.3　超聲波接收電路原理圖

2.4顯示電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果采用十進(jìn)制數(shù)通過LED數(shù)碼管顯示。利用P0口的低電平驅(qū)動(dòng)方式。為增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力，加入了74LS240反相器。數(shù)碼管的位選通過P2口來進(jìn)行選擇，同樣的，為了增強(qiáng)I/O口引腳驅(qū)動(dòng)能力，在P2口與數(shù)碼管公共端之間接入與門集成芯片SN75451（該芯片驅(qū)動(dòng)能力比較強(qiáng)，輸出電流可達(dá)幾百mA），如圖2.4所示。

圖2.4　顯示電路原理圖

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)運(yùn)用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，對(duì)不同功能的程序進(jìn)行分別編程，主要包含主函數(shù)程序，超聲波發(fā)生子程序，超聲波接收程序（中斷處理）以及顯示子程序。

3.1主程序設(shè)計(jì)

在主程序中，首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，其中包含對(duì)定時(shí)器，中斷以及所涉及的I/O端口設(shè)置。然后進(jìn)入主程序循環(huán)體，調(diào)用超聲波發(fā)生子程序來發(fā)出超聲波，等待聲波遇到障礙物將反射回來，需要特別說明的是主函數(shù)中引入了變量flag用來區(qū)分以下三種情況，當(dāng)無中斷產(chǎn)生時(shí)，flag=0；當(dāng)因?yàn)榻邮盏匠暡ǚ祷匦盘?hào)而產(chǎn)生的中斷時(shí)，flag=1；當(dāng)因?yàn)橛?jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)而產(chǎn)生的溢出中斷時(shí)，flag=2。因此當(dāng)接收到返回的超聲波信號(hào)時(shí)程序?qū)⑦M(jìn)入相應(yīng)的中斷處理，并且flag標(biāo)志將被置1，通過計(jì)算得到障礙物的距離。最后調(diào)用顯示子程序?qū)⒔Y(jié)果以十進(jìn)制送LED顯示。

3.2超聲波發(fā)生子程序

在超聲波發(fā)生程序中主要完成產(chǎn)生40KHz的方波信號(hào)的功能，用幾個(gè)空操作語句進(jìn)行延時(shí)，每隔半周期時(shí)間，將方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生40kHz方波。此外由于測(cè)量盲區(qū)的存在，發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)也需要仔細(xì)考慮，脈沖個(gè)數(shù)少，可以提高測(cè)量精度，但減少了發(fā)射能量減小了測(cè)距量程，脈沖個(gè)數(shù)過多會(huì)增大測(cè)量盲區(qū)，在設(shè)計(jì)中經(jīng)過比較，選擇發(fā)射5個(gè)40KHz的脈沖方波作為測(cè)量信號(hào)。實(shí)踐證明此時(shí)的可測(cè)范圍在6cm至4m左右。

3.3超聲波接收子程序

超聲波接收子程序即中斷處理程序，主要是當(dāng)接收到反射波時(shí)（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），單片機(jī)立即響應(yīng)外中斷的請(qǐng)求，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序，其中包含關(guān)閉定時(shí)器T0，關(guān)閉T0的中斷允許位（ET0）和外部中斷0中斷允許位（EX0），并將標(biāo)志位flag賦值1，表示本次測(cè)距成功。如果當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到反射波，則進(jìn)入相應(yīng)的定時(shí)器0中斷的中斷服務(wù)程序，其中包含關(guān)閉定時(shí)器和中斷，并將標(biāo)志位flag賦值2，表示本次測(cè)距失敗。

圖4.1?。?） 實(shí)物測(cè)試圖左

圖4.1?。?） 實(shí)物測(cè)試圖右

4.系統(tǒng)測(cè)試

在檢查完電路焊接，排除短路斷路等情況后，接通電源，按下復(fù)位鍵將系統(tǒng)復(fù)位，然后將所有程序燒到芯片后，在距離超聲波探頭適當(dāng)?shù)奈恢糜檬终趽?，并且前后移?dòng)，觀察數(shù)碼管上顯示的數(shù)字與實(shí)際距離是否相符。在測(cè)試完畢之后就可進(jìn)行實(shí)際的測(cè)距，若要實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的方位判斷，只需在超聲波發(fā)射探頭的另一邊再增加一個(gè)超聲波接收探頭，然后比較一下左右兩個(gè)接收探頭接收回波信號(hào)的所耗時(shí)間即可。

測(cè)試結(jié)果：系統(tǒng)能很好的發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)大約17cm至400cm范圍內(nèi)的距離測(cè)量，并且可以實(shí)現(xiàn)障礙物相對(duì)于超聲波發(fā)生方位的簡(jiǎn)單判斷。實(shí)物測(cè)試圖如圖4.1所示。

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顧添翼（1989—），女，碩士，研究方向：電路與系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。