單片機(jī)高精超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

本超聲波測距儀地具體工作過程如下 ,在單片機(jī)產(chǎn)生復(fù)位信號后 ,由MC9S12DG128B產(chǎn)生一個控制信號,控制外圍電路產(chǎn)生 40kHz地超聲波,經(jīng)整形放大后加到超聲波換能器發(fā)射出頻率為40kHz地超聲波.同時,計數(shù)MC9S12DG128B內(nèi)部地定時器,測量超聲波信號從發(fā)出到接收所花地時間 ,并把經(jīng)超聲波換能器 R接收到地超聲波信號放大、濾波、整形 ,并作為接收信號來啟動定時器地輸入捕捉功能 ,完成一次超聲波測距地時間操作 .同時,由溫度傳感器DS18B20測得當(dāng)前地環(huán)境溫度,讀入單片機(jī),然后經(jīng)其處理,在液晶顯示屏上顯示相應(yīng)地測量值以及當(dāng)前溫度.微控制器 MC9S12DG128BMC9S12DG128B是飛思卡爾公司推出地S12控制器中地一款16位微控制器.其集成度高,片內(nèi)資源豐富,接口模塊包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等,在FLASH存儲控制及加密方面有較強(qiáng)地功能.MC9S12DG128B微控制器采用增強(qiáng)型 16位S12CPU,片內(nèi)總線時鐘頻率最高可達(dá)25MHz；片內(nèi)資源包括8kBRAM、128kBFLASH、2kBEEPROM、SCI、SPI及PWM串行接口模塊；PWM模塊可設(shè)置成4路8位或2路16位,可寬范圍選擇時鐘頻率；它還提供2個8路10位精度A/D轉(zhuǎn)換器、控制器局域網(wǎng)CAN和增強(qiáng)型捕捉定時器,并支持背景調(diào)試模式（BDM）.超聲波地發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路一般由超聲波反射器T、40kHz地超音頻振蕩器、驅(qū)動（或激勵）電路等組成,本設(shè)計利用門電路產(chǎn)生40kHz地超聲波,組成地超聲波發(fā)射電路見圖2.圖中,與非門74LS00和LM386組成超聲波發(fā)射電路,用74LS00構(gòu)成多諧振蕩器,通過調(diào)節(jié)20k地電位器,可產(chǎn)生超聲波發(fā)射地40kHz信號,其中U3A為驅(qū)動器,電路振蕩頻率f≈1/2.2RC,單片機(jī)地控制信號由U2A輸入.為增大超聲波地發(fā)射頻率,本設(shè)計利用了單運(yùn)放LM386,發(fā)射距離可達(dá)4m.超聲波地接收電路超聲波接收電路如圖 3所示.接收頭采用與發(fā)射頭配對地超聲波接收器 R,將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?.為了進(jìn)行信號地整形 ,在設(shè)計中地 CMOS電平地6非門芯片 CD4069,可以減少電路地復(fù)雜程度 ,提高電路地帶負(fù)載能力 .整形后地信號由 C1耦合給帶有鎖定環(huán)地音頻譯碼集成塊 LM567地輸入端 3腳,當(dāng)輸入信號地幅度落在其中心頻率上時 ,LM567地邏輯輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?.DS18B20

溫度補(bǔ)償電路根據(jù)上文中式（ 2）可知,溫度對聲速地影響較大 ,若不進(jìn)行補(bǔ)償,將會帶來測量誤差 ,為了提高系統(tǒng)地測量精度 ,設(shè)計了溫度補(bǔ)償電路 .系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20來采集溫度,DS18B20是美國DALLAS 公司生產(chǎn)地 1-wire總線串行數(shù)字溫度傳感器 ,它具有微型化、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、易于與微處理器接口等優(yōu)點(diǎn) ,適合于各種溫度測控系統(tǒng) .它地測量溫度范圍為-55℃~+125℃,精度可達(dá) 0.0675℃,最大轉(zhuǎn)換時間為 200ms.數(shù)字式溫度傳感器和模擬溫度傳感器最大地區(qū)別是：將溫度信號直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號 ,然后通過串行通信地方式輸出 .因此掌握DS18B20地通信協(xié)議是使用該器件地關(guān)鍵 .該協(xié)議定義了幾種信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖時隙；寫 “0、”讀“1”隙時,讀“0、”讀“1時”隙.初始化后,傳感器輸出兩個字節(jié)地溫度 ,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到實際溫度地值 ,利用式（2）可計算補(bǔ)償聲速.液晶顯示電路字符點(diǎn)陣系列模塊是一類專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等地點(diǎn)陣型顯示模塊.分4位和8位數(shù)據(jù)傳輸方式.它提供5×7點(diǎn)陣+光標(biāo)和5×10點(diǎn)陣+光標(biāo)地顯示模式.提供顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)DDRAM、字符發(fā)生器CGROM和字符發(fā)生器CGRAM,可以使用CGRAM來存儲自己定義地最多8個5×8點(diǎn)陣地圖形字符地字模數(shù)據(jù).它提供了豐富地指令設(shè)置：清顯示,光標(biāo)回原點(diǎn),顯示開/關(guān),光標(biāo)開/關(guān),顯示字符閃爍,光標(biāo)移位,顯示移位等.提供內(nèi)部上電自動復(fù)位電路,當(dāng)外加電源電壓超過+4.5V時,自動對模塊進(jìn)行初始化操作,將模塊設(shè)置為默認(rèn)地顯示工作狀態(tài).OCM2X16顯示兩行字符,每行可以顯示16個字符.本設(shè)計采用OCM2X16,顯示兩行字符,一行顯示當(dāng)前地環(huán)境溫度,一行顯示所測距離.系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件包括主程序、溫度采集子程序、定時器計時子程序、計算子程序、液晶顯示子程序等.主程序包括初始化和各個子程序地調(diào)用 ,最后把測量結(jié)果用液晶顯示屏顯示出來（見圖4）.結(jié)論本系統(tǒng)采用飛思卡爾單片機(jī)MC9S12DG128B做主控制器,可靠性好,抗干擾和電磁兼容性強(qiáng),內(nèi)部資源較豐富,軟件地工作量大大降低,而且支持背景調(diào)試（BDM）方式,編程更加方便,靈活.在本設(shè)計中,通過外部硬件電路來產(chǎn)生40kHz地超聲波信號,因而相對于由單片機(jī)產(chǎn)生地40kHz超聲波信號而言,更加接近超聲波傳感器地共振頻率,因而使超聲波傳感器地輸出最大,可以有效地提高測量距離

,測