摘要 超聲波測距器，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)場的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長度的測量等場合。要求測量范圍在0.10-5.00m，測量精度1cm，測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(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)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。 
關(guān)鍵詞 單片機AT82S51 超聲波  傳感器  測量距離 

一、設(shè)計要求

    設(shè)計一個超聲波測距器，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)場的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長度的測量等場合。要求測量范圍在0.10-3.00m，測量精度1cm，測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果。

二、設(shè)計思路 

超聲波傳感器及其測距原理 

     超聲波是指頻率高于20KHz的機械波。為了以超聲波作為檢測手段，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)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。 

    超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，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

    測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機負責計時，單片機使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級。

    由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到要求。

    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，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。

    根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，可以采用AT89S51單片機作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器完成，超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示： 
    
 
                超聲波測距器系統(tǒng)設(shè)計框圖 

三、系統(tǒng)組成

硬件部分

    主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分組成。采用AT89S51來實現(xiàn)對CX20106A紅外接收芯片和TCT40-10系列超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機通過P1.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過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 


1.單片機系統(tǒng)及顯示電路

    單片機采用89S51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P1.0端口輸出超聲波轉(zhuǎn)化器所需的40KHz方波信號，利用外中斷0口檢測超聲波接受電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動，位碼用PNP三極管驅(qū)動。單片機系統(tǒng)及顯示電路如下圖所示 

  

                單片機及顯示電路原理圖 

  
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，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一超聲波發(fā)生器;如沒加電壓，當共振板接受到超聲波時，將壓迫壓電振蕩器作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時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，常用于電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測距超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用它作為超聲波檢測電路。實驗證明其具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當改變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

     超聲波測距軟件設(shè)計主要由主程序，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。下面對超聲波測距器的算法，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．超聲波測距器的算法設(shè)計

   下圖示意了超聲波測距的原理，即超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出的一個超聲波信號，當超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接受。這樣只要計算出發(fā)生信號到接受返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。

    距離計算公式：d=s/2=(c*t)/2

   *d為被測物與測距器的距離 ，s為聲波的來回路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時間
           
    聲速c與溫度有關(guān)，如溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕ＵＢ曀俅_定后，只要測得超聲波往返時間，即可求得距離。在系統(tǒng)加入溫度傳感器來監(jiān)測環(huán)境溫度，可進行溫度被償。這里可以用DS18B20測量環(huán)境溫度，根據(jù)不同的環(huán)境溫度確定一聲速提高測距的穩(wěn)定性。為了增強系統(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

   主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器T0工作模式為16位的定時計數(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(這也就是測距器會有一個最小可測距離的原因)后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用12MHz的晶振，機器周期為1us,當主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）按下式計算即可測得被測物體與測距儀之間的距離,設(shè)計時取20℃時的聲速為344 m/s則有：

d=(C*T0)/2 =172T0/10000cm（其中T0為計數(shù)器T0的計數(shù)值） 

    測出距離后結(jié)果將以十進制BCD碼方式LED,然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。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P1.0端口發(fā)送2個左右的超聲波信號頻率約40KHz的方波，脈沖寬度為12us左右，同時把計數(shù)器T0打開進行計時。超聲波測距器主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（INT0引腳出現(xiàn)低電平)，立即進入中斷程序。進入該中斷后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時，并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標志字賦值2以表示此次測距不成功。 
   
 
六．    軟硬件調(diào)試及性能

    超聲波測距儀的制作和調(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，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當調(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試運行。根據(jù)實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量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.07～5.5m，測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。 

   后續(xù)工作需實驗后才能驗證

   根據(jù)參考電路和集成的電路器件測距范圍有限10m以內(nèi)為好。 

    相關(guān)程序請點擊下載http://www.21ic.org/down/code/51.rar