摘要 超聲波測(cè)距器，可以應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合。要求測(cè)量范圍在0.10-5.00m，測(cè)量精度1cm，測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無(wú)直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 單片機(jī)AT82S51 超聲波 傳感器 測(cè)量距離
一、設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波測(cè)距器，可以應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合。要求測(cè)量范圍在0.10-3.00m，測(cè)量精度1cm，測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無(wú)直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。
二、設(shè)計(jì)思路
超聲波傳感器及其測(cè)距原理
超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離
測(cè)量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測(cè)距等，超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。
由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求。
超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測(cè)量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，可以采用AT89S51單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成，超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示：
超聲波測(cè)距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖
三、系統(tǒng)組成
硬件部分
主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分組成。采用AT89S51來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CX20106A紅外接收芯片和TCT40- 10系列超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)通過(guò)P1.0引腳經(jīng)反相器來(lái)控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。
軟件部分
主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序等部分。
四、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
1.單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路
單片機(jī)采用89S51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波轉(zhuǎn)化器所需的 40KHz方波信號(hào)，利用外中斷0口檢測(cè)超聲波接受電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動(dòng)，位碼用 PNP三極管驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路如下圖所示
單片機(jī)及顯示電路原理圖
2. 超聲波發(fā)射電路原理圖參考期刊如圖所示：
超聲波發(fā)射電路原理圖
壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。內(nèi)部結(jié)構(gòu)上圖所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一超聲波發(fā)生器;如沒(méi)加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波時(shí)，將壓迫壓電振蕩器作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接受轉(zhuǎn)換器。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器與接受轉(zhuǎn)換器其結(jié)構(gòu)稍有不同。
3.超聲波檢測(cè)接受電路
參考紅外轉(zhuǎn)化接收期刊的電路采用集成電路CX20106A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器�？紤]到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，可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路。實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)改變C4的大小，可改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。
超聲波接收電路圖
五、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
超聲波測(cè)距軟件設(shè)計(jì)主要由主程序，超聲波發(fā)射子程序，超聲波接受中斷程序及顯示子程序組成。下面對(duì)超聲波測(cè)距器的算法，主程序，超聲波發(fā)射子程序和超聲波接受中斷程序逐一介紹。
1．超聲波測(cè)距器的算法設(shè)計(jì)
下圖示意了超聲波測(cè)距的原理，即超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出的一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器R所接受。這樣只要計(jì)算出發(fā)生信號(hào)到接受返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。
距離計(jì)算公式：d=s/2=(c*t)/2
*d為被測(cè)物與測(cè)距器的距離 ，s為聲波的來(lái)回路程，c為聲速，t為聲波來(lái)回所用的時(shí)間
聲速c與溫度有關(guān)，如溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ�。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返時(shí)間，即可求得距離。在系統(tǒng)加入溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，可進(jìn)行溫度被償。這里可以用DS18B20測(cè)量環(huán)境溫度，根據(jù)不同的環(huán)境溫度確定一聲速提高測(cè)距的穩(wěn)定性。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)在軟硬件上采用抗干擾措施。
不同溫度下的超聲波聲速表
| | 溫度/ | -30 | -20 | -10 | 0 | 10 | 20 | 30 | 100 | | 聲速c(m/s) | 313 | 319 | 325 | 323 | 338 | 344 | 349 | 386 |
2．主程序
主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位的定時(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。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲0.1ms (這也就是測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因)后，才打開(kāi)外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用12MHz的晶振，機(jī)器周期為1us,當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按下式計(jì)算即可測(cè)得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離,設(shè)計(jì)時(shí)取20℃時(shí)的聲速為 344 m/s則有：
d=(C*T0)/2 =172T0/10000cm（其中T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值）
測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式LED,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。主程序框圖如下
3. 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序
超聲波發(fā)生子程序的作用是通過(guò)P1.0端口發(fā)送2個(gè)左右的超聲波信號(hào)頻率約40KHz的方波，脈沖寬度為12us左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開(kāi)進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距器主程序利用外中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（INT0引腳出現(xiàn)低電平)，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 2以表示此次測(cè)距不成功。
六． 軟硬件調(diào)試及性能
超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用Φ15的超聲波換能器TCT40-10F1（T發(fā)射）和TCT40-10S1（R接收），中心頻率為 40kHz，安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無(wú)特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C4的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。
硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)的范圍為0.07～5.5m，測(cè)距儀最大誤差不超過(guò)1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。
后續(xù)工作需實(shí)驗(yàn)后才能驗(yàn)證
根據(jù)參考電路和集成的電路器件測(cè)距范圍有限10m以內(nèi)為好。
程序清單以下是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的超聲波測(cè)距控制源程序：采用AT89S51 12ＭＨz晶振顯示緩沖單元在４０Ｈ～４３Ｈ，使用內(nèi)存44H、45H、46H用于計(jì)算距離20H用于標(biāo)志 VOUT EQU P1.0 ;脈沖輸出端口*中斷入口程序*ORG 0000H LJMP STARTORG 0003H LJMP PINT0ORG 000BH LJMP INTT0ORG 0013H RETIORG 001BH LJMP INTT1ORG 0023HRETIORG 002BH RETI *主程序*START: MOV SP, #4FH MOV R0, #40H ;40~43H為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40為最高位） MOV R7,#0BH CLEARDISP:MOV @R0, #00H INC R0 DJNZ R7, CLEARDISP MOV 20H, #00H MOV TMOD, #21H ;T1為8位自動(dòng)重裝模式，T0為16位定時(shí)器 MOV TH0, #00H ;65ms初值 MOV TL0, #00H ;40KHz初值 MOV TH1, #0F2H MOV TL1, #0F2H MOV P0, #0FFHMOV P1, #0FFH MOV P2, #0FFH MOV P3, #0FFHMOV R4, #04H ；超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制（為賦值的一半）SETB PX0SETB ET0STEB EACLR 00HSETB TR0 ;開(kāi)啟測(cè)距定時(shí)器 START1: LCALL DISPLAY JNB 00H, START1 ;收到反射信號(hào)時(shí)標(biāo)志位為1 CLR EA LCALL WORK ；計(jì)算距離子程序 SETB EA CLR 00H SETB TR0 ；重新開(kāi)啟測(cè)距定時(shí)器 MOV R2, #64H ； 測(cè)量間隔控制（約4*100=400ms） LOOP: LCALL DISPLAY DJNZ R2, LOOP SJMP START 1 *中斷程序*;T0中斷，65ms中斷一次INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H SETB ET1 SETB EA SETB TR0 ;啟動(dòng)計(jì)時(shí)器T0，用以計(jì)算超聲波來(lái)回時(shí)間 SETB TR1 ;開(kāi)啟發(fā)超聲波用定時(shí)器T1OUT: RETI ;T1中斷，發(fā)超聲波用INTT1: CPL VOUT DJNZ R4,RETIOUT CLR TR1 ；超聲波發(fā)送完畢，關(guān)T1 CLR ET1 MOV R4,#04H SETB EX0 ；開(kāi)啟接收回波中斷RETIOUT: RETI ;外中斷0，收到回波時(shí)進(jìn)入PINT0: CLR TR0 ；關(guān)計(jì)數(shù)器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0 MOV 44H, TL0 ；將計(jì)數(shù)值移入處理單元 MOV 45H, TH0 SETB 00H ；接收成功標(biāo)志 RETI *延時(shí)程序*DL1MS: MOV R6, #14HDL1: MOV R7, #19HDL2: DJNZ R6, DL2 DJNZ R6, DL1 RET *顯示程序*;40H為最高位，43H為最低位，先掃描高位DISPLAY： MOV R1, #40H;G MOV R5,#0F7H;G PLAY: MOV A, R5 MOV P0, #0FFH MOV P2, A MOV A, @R1 MOV DPTR, #TABMOVC A, @A+DPTRMOV P0, ALCALL DLIMSINC R1MOV A, R5JNB ACC.0, ENDOUT;GRR AMOV R5, AAJMP PLAY ENDOUT; MOV P2, #0FFH MOV P0, #0FFH RET TAB; DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH；共陽(yáng)數(shù)碼管 0 ,1, 2,3,4,5,6,7,8,9,不亮，A, — *距離計(jì)算程序(=計(jì)算值×17/1000cm) 近似WORK: PUSH ACC PUSH PSW PUSH B MOV PSW, #18H MOV R3, 45H MOV R2, 44H MOV R1, #00D MOV R0, #17D LCALL MUL2BY2 MOV R3, #03H MOV R2, #0E8H LCALL DIV4BY2 LCALL DIV4BY2 MOV 40H, R4 MOV A, 40H JNZ JJ0 MOV 40H, #0AH ;最高位為0，不點(diǎn)亮 JJ0: MOV A R0 MOV R4, A MOV A R1 MOV R5 A MOV R3, #00D MOV R2, #100D LCALL DIV4BY2 MOV 41H, R4 MOV A, 41H JNZ JJ1 MOV A, 40H ；此高位為0，先看最高位是否為不亮 SUBB A, #0AH JNZ JJ1 MOV 41H, #0AH ； 最高位不亮，次高位也不亮 JJ1: MOV A, R0 MOV R4, A MOV A, R1 MOV R5, A MOV R3, #00D MOV R2, #10D LCALL DIV4BY2 MOV 42H, R4 MOV A 42H JNZ JJ2 MOV A, 41H ;次高位為0，先看次高位是否為不亮 SUBB A, #0AH JNZ JJ2 MOV 42H, #0AH ；次高位不亮，次高位也不亮 JJ2: MOV 43H, R0 POP B POP PSW POP ACC RET *兩字節(jié)無(wú)符號(hào)數(shù)乘法程序 MUL2BY2: CLR A MOV R7, A MOV R6, A MOV R5, A MOV R4, A MOV 46H, #10HMULLOOP1: CLR C MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A MOV A, R0 RLC A MOV R0, A MOV A, R1 RLC A MOV R1, A JNC MULLOOP2 MOV A, R4 ADD A, R2 MOV R4, A MOV A, R5 ADDC A, R3 MOV R5, A MOV A, R6 ADDC A, #00H MOV R6, A MOV A, R7 ADDC A, #00H MOV R7, AMULLOOP2: DJNZ 46H, MULLOOP1 RET *四字節(jié)/兩字節(jié)無(wú)符號(hào)數(shù)除法程序*DIV4BY2: MOV 46H, #20H MOV R0, #00H MOV R1, #00H DIVLOOP1: MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A MOV A, R0 RLC A MOV R0, A MOV A, R1 RLC A MOV R1, A CLR C MOV A, R0 SUBB A, R2 MOV B, A MOV A, R1 SUBB A, R3 JC DIVLOOP2 MOV R0, B MOV R1, A DIVLOOP2: CPL C DJNZ 46H, DIVLOOP1 MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A RET; END 附C51程序 #include <reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned long extern void cs_t(void);extern void delay(uint);extern void display(uchar*);//data uchar display(uchar*);data uchar testok; void main (void){data uchar dispram[5];data uint i;data ulong time;P0=0xff;P2=0xff;TMOD=0x11;IE=0x80;while (1){ cs_t(); delay(1);testok=0;EX0=1;ET0=1;while(! testok) display(dispram);if (1==testok) { time=TH0; time=(time<<8)| TL0; time*=172; time/=10000; dispram[0]=(uchar) (time%10); time/=10; dispram[1]=(uchar) (time%10); time/=10; dispram[2]=(uchar) (time%10); dispram[3]=(uchar) (time/10); if (0==dispram[3]) dispram[3]=17; } else { dispram [0]=16; dispram [1]=16; dispram [2]=16; dispram [3]=16; } for (i=0;i<300;i++) display(dispram); }} void cs_r(void) interrupt 0{ TR0=0; ET0=0; EX0=0; testok=1;} void overtime(void) interrupt 1{ EX0=0; TR0=0; ET0=0; testok=2;} NAME CS_T?PR?CS_T?CS_T SEGMENT CODE PUBLIC CS_T RSEG ?PR?CS_T?CS_T CS_T: PUSH ACC MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H MOV A, #4D SETB TR0CS_T1: CPL p1.0 NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP DJNZ ACC,CS_T1 POP ACC RET ; END name delay?pr?_delay?delay segment codepublic _delay rseg ?pr?_delay?delay_delay: push acc mov a,r7 jz dela1 inc r6dela1: mov r5,#50d djnz r5, $ djnz r7,dela1 djnz r6,dela1 pop acc retend NAME DISPLAY?PR?_DISPLAY?display segment code?co?_DISPLAY?display segment data EXTRN CODE (_DELAY) PUBLIC _DISPLAY RSEG ?CO?_DISPLAY?DISPLAY?_display?byte:dispbit: ds 1dispnum: ds 1 rseg ?pr?_display?display_display: push acc push dph push dpl push psw inc dispnum mov a,dispnum cjne a,#4d,disp1DISP1: JC DISP2 MOV DISPNUM,#00H MOV DISPBIT,#0FEHDISP2: MOV A,R1 ADD A,DISPNUM MOV R0,A MOV A,@R0 MOV DPTR,#DISPTABLE MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A MOV A,DISPNUM CJNE A,#2D,DISP3 CLR P0.7DISP3: MOV P2,DISPBIT MOV R5,#00H MOV R7,#0AH LCALL _DELAY MOV P0,#0FFH MOV P2,#0FFH MOV A,DISPBIT RL A MOV DISPBIT,A POP PSW POP DPL POP DPH POP ACC RETDISPTABLE: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0BFH,0FFH END
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66821730(技術(shù)支持)
