简易高精度超声波测距仪的设计

1、第23卷第6期(总第106期)机械管理开发2008年12月简易高精度超声波测距仪的设计孙艳玲441053）【摘要】介绍了以AT89C52单片机为主控件的超声波测距仪的工作原理、器件选择、硬件和软件的设计。硬件主要由超声波发射、接收检测电路和显示电路组成。该系统测量精度高，能够清晰地显示测量结果，可应用于汽车倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。【关键词】单片机；超声波；测距【中图分类号】TP391.76【文献标识码】A【文章编号】1003-773X（2008）06-0102-02（湖北襄樊学院机械工程系，湖北襄樊DesignofUltra

2、sonicDistanceMeasuringSystemwithHighPrecisionSUNYan-ling(DepartmentofMechnicalEngineering,Xiangfanuniversity,Xiangfan441053Hubei)Thispapermainlyintroducestheprinciple,someofthehardware,softwaredesign,andtheentireapplicationprocessofakindofultrasonicdistancemetersystembasedonmicrocontrollerAT89C52.It

3、ismainlycomposedbytheultrasonictransmissioncircuit,theultrasonicreceptioncircuitandthedisplaycircuit.Precisionishighandcanclearlydisplaythemeasurementresult,soitismainlyappliedintheautomobileback-draftradar,thebuildingconstructionworksite,someindustryscenepositionmonitoringaswellasavailableliquidpos

4、ition,welldepth,pipelinelengthsituationsandsoon.KeywordsMonolithicProcessors;Ultrasonic;DistancemeasurementAbstract引言用于距离测量的超声波一般是指频率为40kHz的机械波，利用其指向性强，能量消耗缓慢，传播距离远，遇到障碍物会发生反射等特性进行距离的测量。通过超声波发射传感器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，当声波遇到障碍物返回时，接收器接收到反射波信号后定时器停止计时，利用声波在空气中传播的速度和时间的乘积就可以得到被测障碍物的距离。本系统采用AT89C52单片机

5、为主控器件来完成测量过程中信号的采集、控制和数据的处理，测量结果通过LED显示，测量过程中与被测物体没有直接接触。1超声波测距的原理和系统方案设计图1示意了超声波测距的原理，即超声波发生器T在某一时刻发出一个图1超声波测距原理图超声波信号，当该信号遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到，计算从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。计算公式为：（1）d=s/2=(v×t)/2式中:d为被测物与测距仪的距离;s为声波来回的路程;v为声速;t为声波往返所用的时间。在测量中需要考虑两个参数：声速和发射脉冲个数。声速的精确程度决定了测量精度

6、，声速与温度有关，测距仪多用于常温测量距离较短，如温度变化不大，则可认为声速是基本不变的，约为344m/s。如测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。为增强系统可靠性，应在软硬件上采用抗干扰措施。发射超声波脉冲个数决定测距仪测量盲区，影响测量精度，同时与信号发射能量有关，发射脉冲个数少，可提高测量精度,但减少了发射能量对接收回波不利，脉冲个数过多会增加测量盲区。在设计中经过比较，选择发射5个40kHz的脉冲方波作为测量信号。超声波发生器一般分为两类：1）用电气方式产生超声波，电气方式包括压电型和电动型。2）用机械方式产生超声波，如加尔统笛和液哨。本测距仪主要用于近距离测量，采用压电式

7、超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，采用AT89C52单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器，超声波测距仪的系统如图2示。图2系统总体原理框图2系统硬件电路的设计2.1单片机及显示电路AT89C52采用12MHz晶振以获稳定的时钟频率，P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz方波信号，用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回中断信号。显示电路采用4位共阳极LED数码管，P0.0P0.6端口输出并通过74LS244驱动4位LED管段码，P2.0P2.3端口输出信号，通过三极管8550驱动位码1。2.2超声波发射电路压电超声换能器是利用压电材

8、料的压电效应制成，极化后的压电材料在外加电场的作用下会发生机械形变称之位逆压电效应，反之，压电材料的机械形变也会产生电压，即为正压电效应。利用逆压电效应可以把高频电压转变为高频机械振动从而产生超声波。这时它是一个超声波发生器，同时利用正压电效应可以收稿日期：2008-09-12作者简介：孙艳玲(1973-)，女，山东蓬莱人，副教授，硕士研究生，研究方向：测试计量技术与仪器··102第23卷第6期(总第105期)孙艳玲：简易高精度超声波测距仪的设计机械管理开发2008年12月把接收到的超声波振动转换为电信号，这时它就是超声波接收器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同

9、，使用时应分清器件上的标志2。超声波发射电路见图3，由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，由单片机定时器产生的40kHz的方波信号由P1.0端口输出，一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电极，用推挽形式将方波信号加到超声波换能器的两端通过逆压电效应产生超声波并提高超声波的发射强度。输出端采用两个反相器并联以提高驱动能力，上拉电阻R10和R11不仅可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力并且可以增强超声波换能器的阻尼效果，缩短自由振荡的时间。序送出一个超声波脉冲，同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射

10、和收到反射波的时间间隔，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0.1ms（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因）后再打开外中断0,接收返回的超声波信号。当收到反射波信号时，接收电路输出端产生一负跳变，在INT0产生中断请求信号，单片机相应外部中断请求执行外部中断服务子程序，读取时间差计算距离。由于采用的是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1s，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数T'0按2式计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计取20时的声速为344m/s则有：图3d=(v×t)/2=172T'0/100

11、00cm(2)式中：T'0为计数器T0的计数值。测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，程序采用C语言编写。图5为主函数程序流程图。3.2超声波发生和接收子程超声波发射电路原理图2.3超声波检测接收电路设计中采用红外线检波接收专用芯片CX20106A制作超声波检测接收电路，该芯片常用于电视机红外遥控接收器。因红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，所以可利用该芯片作为接收电路使用。接收换能器收到的回波信号相对较弱，一般只有几毫伏，通过CX20106A进行放大，选频和

12、整形后送于单片机的P3.2口一个低电平信号产生中断。实验证明用CX20106A接收超声波具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力3。电路图如图4所示。序设计超声波发生子程序可通过P1.0端口发送5个超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12s，同时把计数器T0打开进行计时。在超声波测距仪的主函数程序中利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（INT0引脚出现低电平），立即进入中断程序即接收子图5主函数程序流程图程序，响应中断后立即关闭计时器T0停止计时，将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。4结束语超声波测距仪的发射和接收采用了超声波换能器TCT40-10F1（T发射）和TCT40-10S1（R接收），中心频率为40kHz，根据实际情况可以修改超声波发生子图4超声波检测接收电路图3系统程序设计超声波测距仪软件主要由主函数程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。3.1主函数设计主函数程序主要是对系统环境初始化，设置定时器T0为16位定时计数器工作模式。置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。然后调用超声波发生子程程序每次发送的脉冲宽度和两次