超聲波測(cè)距倒車?yán)走_(dá)方案選擇說明

1、萬案選擇說明超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一 些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，例如：液位、井深、管道長度等場(chǎng)合。目前國 內(nèi)一般使用專用集成電路設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀，但是集成電路的成本很高，并且沒有顯示操作使用不方便。本文介紹 AT89S52單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示 超聲波測(cè)距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法.實(shí)際證明該儀器工作穩(wěn)定，性能良好.系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、回波信號(hào)接收、溫度測(cè)量、顯 示和報(bào)警、電源等硬件電路部分以及相應(yīng)的軟件部分構(gòu)成。 系統(tǒng)原理框圖，如圖1所示。電源電路發(fā)射電粘單片機(jī)外圍電路測(cè)溫電路圖1萊統(tǒng)壕理框圖AT8QS52超聲波變射 一換能器超卓波接收換能器

2、障訝物整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī) AT89S52控制，超聲波傳感器采用收發(fā) 分體式，分別是一支超聲波發(fā)射換能器TCT40 - 16T和一支超聲波接收換能器 TCT40 - 16R.超聲波信號(hào)通過超聲波發(fā)射 換能器發(fā)射至空氣中，遇被測(cè)物反射后回波被超聲波接收換能器接收。進(jìn)行相關(guān)處理后，輸入單片機(jī)的INTO腳產(chǎn)生中斷，計(jì)算中間經(jīng)歷的時(shí)間，同時(shí)再根據(jù)具體的溫度計(jì)算相應(yīng) 的聲速，根據(jù)式（2）就可得出相應(yīng)的距離用來顯示 ，當(dāng)然在一 些場(chǎng)合也可根據(jù)需要，設(shè)置距離報(bào)警值.倒車報(bào)警器主要依據(jù)是超聲波測(cè)距，以AT89S51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)出方案1.超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，

3、從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，然后求出距S=Ct/2，式中的C為超聲波波速.由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)，表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大， 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) 用通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離.這就是超聲波測(cè)距的機(jī)理。表1聲速與溫度關(guān)系表溫度（C）-30-20100102030100聲速（米/秒）3133193253233383443493862. AT89S52的功能特點(diǎn)AT89S52是一個(gè)4K字節(jié)可編程EPROM的高性能微控制 器。它與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MCS 51的指令

4、和引腳兼容，因而是一 種功能強(qiáng)大微控制器，它對(duì)很多嵌入式控制應(yīng)用提供一個(gè)高度靈活有效的解決方案 ,AT89S52 具有以下特點(diǎn)： 4K 字節(jié)的 EPROM,128 字節(jié) RAM 、32根 I/O 口線、2個(gè) 16位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器、 5 個(gè)向量二級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、 1 個(gè)全雙向串行口、并且 內(nèi)含精密模擬比較器和片內(nèi)擴(kuò)展器，具有4。25V至5。5V的電壓工作范圍和 12MHZ/24MHZ 的工作頻率， 同時(shí)還具有加 密陣列的二級(jí)程序存儲(chǔ)器加鎖、掉電和時(shí)鐘等。此外，AT89S52還支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式。空閑時(shí)，CPU停止，而讓 RAM ，定時(shí) /計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系繼續(xù)工作。 可掉電保存

5、RAM 的內(nèi)容，但可使振蕩器停止以禁止芯片所 有的其它功能直到下一次硬件復(fù)位。AT89S52有2個(gè)16位計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器寄存器 T0、T1.作為 一個(gè)定時(shí)器，每個(gè)機(jī)器周期寄存器增加 1，這樣寄存器即可 計(jì)數(shù)機(jī)器周期 .因此，可以對(duì)外部的輸入端 P3。 2/INT0 和 P3。 3/INT1 編程 ,便于測(cè)量脈沖寬度的門。充分利用 AT89S51 的片內(nèi)資源， 即可在很少外圍電路的 情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。3 .超聲波發(fā)射部分超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器TCT40 16T能向外界發(fā)出 40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)。40 kHz左右 的方波脈沖信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件

6、如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者.編程由單片機(jī) P1。 0端口輸出 40 kHz 左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠 ,40 kHz方波脈沖信號(hào)分成兩 路，送給一個(gè)由74HC04組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便 使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測(cè)量距離要求，最后送給超聲波發(fā) 射換能器TCT40 - 16T以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分 的電路，如圖2所示。圖中輸出端上拉電阻R31, R32 ,方面可以提高反向器 74HC04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一 方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)上述TCT40 - 16T發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙 物就

7、會(huì)返回，超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器 TCT40 - 16R進(jìn)行轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)， 并對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼 公司生產(chǎn)的集成芯片CX20106,得到一個(gè)負(fù)脈沖送給單片機(jī)的P3.2 (INTO)引腳，以產(chǎn)生一個(gè)中斷。接收部分的電路， 如圖3所示超占波接收L4CX201O6Id330200 if20C4.，rkC 4二二 Cqj. 一"04 pF圖3超聲渡接收電路框圖可以看到，集成芯片CX20106在接收部分電路中起了很大 的作用。CX20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本

8、低等 優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz比較接近，而且 CX20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中 心頻率f0五可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越 低，范圍為 3060 kHz.故本次設(shè)計(jì)用它來做接收電路。CX20106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢 波器、積分器及整形電路構(gòu)成。工作過程如下：接收的回波信號(hào)先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào)整到合適幅值 的矩形脈沖，由濾波器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號(hào)，再經(jīng)整形，送給輸出端7腳。當(dāng)接收到與CX20106濾波器中心頻率 相符的回波信號(hào)時(shí)，其輸出端7腳就輸出低電平，而輸出端7 腳直接接到.AT8

9、9S52的INTO引腳上，以觸發(fā)中斷 若頻率 有一些誤差，可調(diào)節(jié)芯片引腳 5的外接電阻R42，將濾波器 的中心頻率設(shè)置在 40 kHz，就可達(dá)到理想的效果。5.其他主要電路(1) 溫度測(cè)量部分。由于聲音的速度在不同的溫度下有所不同，為提高系統(tǒng) 的精度，采用了溫度補(bǔ)償功能。這里采用的主要元器件是是 美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，其具有精度高、智能化、體積小、線路簡單等特 點(diǎn)。將DS18B20數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的 P1.1 口相連，就可以實(shí) 現(xiàn)溫度測(cè)量，如圖4所示。XGND1DQ2%3DS18B2O曲4DS18B20溫度測(cè)童電路(2) LCD顯示部分。本設(shè)計(jì)顯示

10、部分采用字符型TC1602液晶顯示所測(cè)距離值。TC1602顯示的容量為2行16個(gè)字.液晶顯示屏有微功耗、 體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)， 與數(shù)碼管相比，顯得更專業(yè)、美觀 .使用時(shí)，可將P0與LCD的數(shù)據(jù)線相連，P2 口與LCD的控制線相連，如圖 5所示.0T 602 R5M02抵 § IKccl1II21 /? J 1 CND LCD1 602 20kh CNIJftil109K 5TC1602液聶顯示電路其中,TC1602第4腳RS為寄存器選擇，第 5腳RW為讀寫 信號(hào)線，第6腳E為使能端。第714腳：D0D7為8位雙 向數(shù)據(jù)線。這里要注意的是，為了布線方便，

11、單片機(jī)端的D0D7是接到LCD / 602的D1D0 ,正好相反，因此在編 寫軟件時(shí)需要做處理，使讀取正確。(3) 報(bào)警部分。采用一個(gè)蜂鳴器，由 P1。2輸出一定頻率的信號(hào)，在連接到蜂鳴器之前，經(jīng)過一個(gè)三極管9 012的放大。報(bào)警部分的連線，如圖6所示。%21 42Speak/Q, 、9 012圖6報(bào)警電路電源電路：220 V經(jīng)9 V變壓器降壓后，再經(jīng)D1D4橋式整流和7 805穩(wěn)壓后給電路各部分供電(5)晶振電路：采用12 MHz的晶振系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)電路圖如下一張所示AT89S52通過外部引腳P1。6輸出脈沖寬度為250us，載波 為40KHZ的10個(gè)脈沖的脈沖群，以推挽形式加到變壓器的

12、初經(jīng)升壓變換推動(dòng)超聲波換能器發(fā)射出去。在發(fā)射的同時(shí),P1.7輸入一個(gè)高電平啟動(dòng)，給電容C4充電.發(fā)射結(jié)束時(shí)高 電平翻轉(zhuǎn)為低電平，C4開始對(duì)R2、R3組成的分壓器放電并 輸出到比較器的負(fù)端。超聲波接收將接收到的障礙物反射的 超聲波送到放大器進(jìn)行放大，這是一個(gè)高增益、低噪音放大 器，在對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行檢波后將檢測(cè)回波送到比較器的正端發(fā)射時(shí)P1。7輸出的電平可以抑制比較器的翻轉(zhuǎn)，這樣就可以抑制發(fā)射器的超聲波直接輻射到接收器而導(dǎo)致錯(cuò)誤 檢測(cè).超聲波測(cè)距原理，我們必須測(cè)出回波和發(fā)射脈沖之間的時(shí)間 間隔 ,利用 S=Ct/2 就可算出距離 ,再在 LCD 上顯示出來 .當(dāng)然 還可以設(shè)置若干個(gè)鍵， 以用來

13、控制電路的工作狀態(tài) .限制系統(tǒng) 大測(cè)距離存在的四個(gè)因素：超聲波的幅度，反射的質(zhì)地，反 射而和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度.接收器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離 .系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)AT89S52 單片機(jī)和其開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)具有語言簡潔、可移植性 好、表達(dá)能力強(qiáng)、表達(dá)方式靈活、可進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、可直 接控制計(jì)算機(jī)硬件 , 生成質(zhì)量高、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn) . 超聲 波測(cè)距儀就是用 AT89S51單片機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)的。它采用模塊計(jì)， 由主程序、發(fā)射子程序、定時(shí)子程序、顯示子程序等模塊組 成。軟件分為兩部分：主程序和中斷服務(wù)程序 , 流程圖如圖 2 所示。主程序完成初始化工作及超聲波發(fā)射和接收控制。中 斷服務(wù)程序包括定時(shí)中斷服務(wù)子程序和外部中斷服務(wù)子程 序, 分別完成