汪揚(yáng)埔

摘 要 本設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)。通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)從而控制超聲波探頭進(jìn)行多個(gè)方向的測(cè)距，然后通過(guò)單片機(jī)計(jì)算出容積。最后通過(guò)顯示屏顯示出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞 AT89C52 超聲波 步進(jìn)電機(jī) 測(cè)距

中圖分類號(hào)：TP873 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

整個(gè)硬件電路由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、電源電路、顯示電路等模塊組成。探頭的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn)了超聲波測(cè)距儀的測(cè)距功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過(guò)硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖，給出了系統(tǒng)構(gòu)成、電路原理及程序設(shè)計(jì)。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測(cè)距準(zhǔn)確度高、可讀性強(qiáng)和流程清晰等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)后的作品可用于需要測(cè)量容積參數(shù)的各種應(yīng)用場(chǎng)合。

1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用的單片機(jī)是AT89C52單片機(jī)。這一款單片機(jī)的工作性能非常穩(wěn)定，能夠完全滿足本設(shè)計(jì)的要求。很好的兼容了本設(shè)計(jì)的各個(gè)硬件模塊，使各個(gè)模塊能夠協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的要求。

1.2電源電路

為方便起見(jiàn)，本設(shè)計(jì)采用的是5v穩(wěn)壓電源供電，通過(guò)數(shù)據(jù)線輸入+5V穩(wěn)恒直流電作為電路的電源。LED是電源指示燈，通電后會(huì)發(fā)光。

1.3復(fù)位電路

復(fù)位功能是一個(gè)好的設(shè)計(jì)必不可少的功能，由于在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，容易發(fā)生死機(jī)，系統(tǒng)命令出錯(cuò)等現(xiàn)象。我們通過(guò)復(fù)位按鍵就能夠使系統(tǒng)立刻終止正在進(jìn)行的指令并且恢復(fù)到最初始的工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)采用的是傳統(tǒng)的電平式開(kāi)關(guān)與上電復(fù)位電路，從而能使運(yùn)行中的系統(tǒng)經(jīng)過(guò)手動(dòng)干預(yù)使系統(tǒng)恢復(fù)到初始工作狀態(tài)。

1.4顯示電路

顯示電路時(shí)一個(gè)設(shè)計(jì)的最直觀的部分，本設(shè)計(jì)的采用顯示屏是TC1602液晶顯示屏。該顯示屏能夠顯示2行16個(gè)字的內(nèi)容。該液晶顯示的體積小、重量輕、功耗低、顯示容量大、接入電路簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的數(shù)碼管相比顯得更精致與美觀。使用時(shí)，可將串口與LCD的數(shù)據(jù)線和控制線相連。 TC1602第4腳RS為寄存器選擇，第5腳RW為讀寫(xiě)信號(hào)線，第6腳E為使能端。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。我為了方便布線工作，單片機(jī)端的D0～D7端口接到LCD1602的D1～D7，端口的順序剛好完全是相反的。因此在軟件編寫(xiě)過(guò)程中時(shí)需要進(jìn)行相應(yīng)的處理，從而使讀取數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確清晰。

1.5步進(jìn)電機(jī)電路

本系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制超聲波探頭的旋轉(zhuǎn)，使超聲波探頭自動(dòng)測(cè)出三個(gè)方向的距離。本設(shè)計(jì)采用的是42步進(jìn)電機(jī)42BY250C，工作電壓為5v扭矩為0.55nm長(zhǎng)度為48MM，工作溫度為-40℃到50℃范圍內(nèi)。該步進(jìn)電機(jī)的工作能力非常好，符合本設(shè)計(jì)的要求。我們通過(guò)單片機(jī)對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的控制，使得超聲波探頭在水平和垂直的方向上能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出距離。

2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1超聲波發(fā)送子程序及超聲波接收中斷子程序

超聲波子程序的功能是通過(guò)控制兩個(gè)端口來(lái)發(fā)射超聲波。在發(fā)射超聲波的同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器T1開(kāi)始工作，記錄下傳播的起始時(shí)間。超聲波測(cè)距模塊的工作方式首先通過(guò)外部中斷1來(lái)不斷檢測(cè)反射回來(lái)的超聲波信號(hào)，當(dāng)反射回來(lái)的超聲波信號(hào)進(jìn)入到檢測(cè)范圍以內(nèi)時(shí)就能立刻檢測(cè)到，并且此時(shí)系統(tǒng)會(huì)立即啟動(dòng)中斷程序，同時(shí)使計(jì)時(shí)器T1停止計(jì)時(shí)，這種情況下表示測(cè)距成功。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器超出計(jì)時(shí)范圍仍然沒(méi)能夠檢測(cè)到反射回來(lái)的超聲波信號(hào)時(shí)，這種情況的出現(xiàn)一般是由測(cè)量角度過(guò)大或者被測(cè)物處于測(cè)量盲區(qū)范圍導(dǎo)致的，此時(shí)定時(shí)器T1的中斷會(huì)將外中斷1關(guān)閉，這種情況下表示測(cè)距結(jié)果是失敗的。

2.2距離計(jì)算子程序

測(cè)量出超聲波往返時(shí)間之后，就可以通過(guò)計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)于距離的測(cè)算。具體的程序如下：void Conut（void）

{ ultrasonic_time = TH1*256+TL1；

TH1=0；

TL1=0；

// time是us級(jí)別的，t/1000/1000 * 340m/s / 2 = t*1.7/1000/10 m = t*1.7 / 100 cm

// 下在的S算出來(lái)是mm級(jí)別的t/1000/100 m

S = （ultrasonic_time*1.7）/100；

if（ （S >= 700） || flag == 1）

{ flag=0；

distance_buffer[0] = '-'；

distance_buffer[1] = '-'；

distance_buffer[2] = '-'；

}

else

{

distance_buffer[0] = S/100 + 0X30；

distance_buffer[1] = S%100/10 + 0X30；

distance_buffer[2] = S%10 + 0X30；

}

2.3實(shí)現(xiàn)體積計(jì)算的程序

本設(shè)計(jì)的最終目的是對(duì)于規(guī)則房屋體積的測(cè)量。我們先通過(guò)對(duì)于三個(gè)方向的距離進(jìn)行測(cè)算，同時(shí)取得一個(gè)準(zhǔn)確值。之后，通過(guò)V=X*Y*Z這個(gè)計(jì)算式對(duì)于體積進(jìn)行計(jì)算。

2.4顯示子程序

LCD1602顯示屏的主要功能是能夠方便在距離選取時(shí)選擇一個(gè)比較穩(wěn)定的值。同時(shí)顯示出測(cè)試的距離與計(jì)算得出的體積。

3系統(tǒng)的測(cè)試

當(dāng)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)都完成時(shí)，最后需要對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試，查詢?cè)O(shè)計(jì)時(shí)的錯(cuò)誤并修改，最終完成整個(gè)溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)超聲波傳播的特性，距離測(cè)量時(shí)必須滿足以下的條件：（1）被測(cè)目標(biāo)必須垂直于超聲波測(cè)距儀。（2）被測(cè)目標(biāo)表面必須要平坦。（3）測(cè)量時(shí)在超聲波測(cè)距儀周圍沒(méi)有其他可反射超聲波的物體。因此當(dāng)不滿足以下的條件時(shí)，就會(huì)有很大的幾率不能接收到超聲波，從而導(dǎo)致沒(méi)有測(cè)量結(jié)果。測(cè)試結(jié)果如表1：

經(jīng)過(guò)實(shí)際的測(cè)量結(jié)果顯示，測(cè)量得到的值普遍存在誤差，測(cè)量值都要比準(zhǔn)確值小。雖然說(shuō)本設(shè)計(jì)的測(cè)量精度能夠到達(dá)一定的高度，但是由于超聲波測(cè)距在進(jìn)行過(guò)程中會(huì)受很多因素的影響。同時(shí)，由于超生波自身的盲區(qū)問(wèn)題以及發(fā)射探頭與接收探頭之間的共振問(wèn)題也會(huì)使測(cè)量的精度受到影響。

4結(jié)論

利用51單片機(jī)控制的體積測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試證明，本設(shè)計(jì)的性能穩(wěn)定，能夠測(cè)量出量程范圍以內(nèi)的體積參數(shù)，且制作的成本較低、有較高的性價(jià)比。由于本設(shè)計(jì)在測(cè)量距離時(shí)容易產(chǎn)生誤差，在一般的體積測(cè)量的應(yīng)用中可忽略不計(jì)；但在相對(duì)精度要求較高的高科技應(yīng)用方面，我們不能忽略這點(diǎn)誤差，我們一般可以通過(guò)改變硬件的本身精度實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波測(cè)距的高精度測(cè)量或根據(jù)任務(wù)的需求在程序中編入相應(yīng)的距離補(bǔ)償程序，使得本設(shè)計(jì)的精度達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)。