【導(dǎo)讀】系統(tǒng)由單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收放大電路以及顯示電路構(gòu)成。芯片AT89S51控制計(jì)算超聲波從發(fā)射到接收的傳送時(shí)間，從而得到待測(cè)距離。易檢測(cè)、軟件功能完善，工作可靠、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。本文論述了單片機(jī)技術(shù)研制成功的超聲波測(cè)距儀的基本原理，測(cè)量計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)方案。采用軟件校正，提高了測(cè)量精度和整機(jī)的可靠性。實(shí)際使用表明，極大的提高了安全性、可

　　

【正文】 ，共用方式就是一個(gè)超聲波傳感即用作接收器，也用作發(fā)送器，但需要收發(fā)切換電路。 具體區(qū)別如表 33 所示。 表 33 傳感器探測(cè)物體的區(qū)別 配置方式 用途 特征 直接型 遙控 探測(cè)物體 1：探測(cè)靈敏度可自由 設(shè)定，易于設(shè)計(jì)； 2：設(shè)置場(chǎng)所需要在兩 處； 反射方式 探測(cè)物體 測(cè)量距離 1：需要從 T 向 R 直接 迂回輸入的對(duì)策； 2：可使用 T 和 R 專(zhuān)用 的傳感感器，效率高； 3：多用于近距離； 反射方式（兼用型） 探測(cè)物體 測(cè)量距離 1：需要發(fā)送接收切換電路 2：不能近距離測(cè)量； 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì) 就是 以 AT89S51 單片機(jī) 為核心。它采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、發(fā)射子程序 、接收子程序、定時(shí)子程序、顯示子程序等模塊組成。該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當(dāng)按下測(cè)量鍵時(shí)，主程序開(kāi)始調(diào)用發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時(shí)子程序，并把測(cè)量結(jié)果用顯示子程序在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。雖然用一個(gè)單獨(dú)計(jì)時(shí)器電路也可以測(cè)量超聲波的傳輸時(shí)間，但利用 AT89S51 單片機(jī)可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，便于操作和直觀讀數(shù)。 為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)在軟硬件上采用一些特殊措施。主程序框圖如下圖 313。 T R T R T/R 15 圖 313 主程序框圖 超聲波發(fā)生子程序 的 作用是通過(guò) 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。 定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成 時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。如圖 314 和 315。 單片機(jī)初始化 開(kāi)始 定時(shí)中斷子程序 有回波嗎 外部中斷子程序 結(jié)束 16 圖 314定時(shí)中斷子服務(wù)子程序 圖 315外部中斷服務(wù)子程序 計(jì)算距離 讀取時(shí)間值 關(guān)外部中斷 外部中斷入口 返回 開(kāi)外部中斷 結(jié)果輸出 定時(shí)中斷入口 停止發(fā)射 發(fā)射超聲波 定時(shí)器初始化 返回 三方向均發(fā)射完否 17 第 4 章 系統(tǒng)調(diào)試 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TCT4010F1（ T 發(fā)射）和 TCT4010S1（ 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 1～ 60cm，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。 本 章將要 分析溫度對(duì)超聲波聲速的影響，超聲波回波檢測(cè)對(duì)超聲波傳播時(shí)間的影響，超聲傳感器所加脈沖電壓對(duì)測(cè)試精度的影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了超聲 波數(shù)字 測(cè)距儀。實(shí)驗(yàn)表明，注意以上三方面的因素能夠提高超聲測(cè)距精度。 超聲波測(cè)距由于其在使用中不受光照度、電磁場(chǎng)、色彩等因素的影響，加之結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，在機(jī)器人避障和定位、汽車(chē)倒車(chē)、水庫(kù)液位測(cè)量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。從原理上講，超聲測(cè)距有脈沖回波法、共振法 和頻差法。其中脈沖回波法測(cè)距常用，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測(cè)物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，測(cè)量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間 ts，在已知超聲波聲速 Cs 的前提下，可計(jì)算被測(cè)物的距離 S，即 ： S=CT/2 由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度；超聲波反射回波很難精確捕捉，致使超聲波在空氣中傳播的時(shí)間很難精確測(cè)量。這些因素使超聲波測(cè)距的精度和范圍受到影響。本章 從引起超聲測(cè)距誤差的原因入手，分析了溫度對(duì)超聲波聲速的影響；回波檢測(cè)對(duì)時(shí)間測(cè)量的影響和超聲傳感器所加電壓對(duì)測(cè)量精度和范圍的影響。在 此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出 了以AT89S51 單片機(jī)為核心，采用 40KHz 壓電超聲傳感器，應(yīng)用 廣泛的 超聲測(cè)距儀?？諝庵袀鞑サ某暡ㄊ怯蓹C(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此，超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響。例如： 20℃ 時(shí)， T=， CS= m/s； 40℃ 時(shí)， T=， CS= m/s； 20℃ 時(shí) , T＝ ， CS= m/s；從上面的計(jì)算可以看出，溫度對(duì)超聲波在空氣 中的傳播速度有明顯的影響。當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時(shí)，必須考慮溫度的影響。超聲波從超聲傳感器發(fā)出，在空氣中傳播，遇到被測(cè)物反射后，再傳回超聲傳感器。整個(gè)過(guò)程，超聲波會(huì)有很大的衰減。其衰減遵循指數(shù)規(guī)律 。 設(shè)在距離超聲接收器 x 處有被測(cè)物，超聲波頻率越高，其衰減越快。同時(shí)超聲波頻率 18的過(guò)高會(huì)產(chǎn)生較多的副瓣，引起近場(chǎng)區(qū)的干涉。但是，超聲波頻率越高，指向性越強(qiáng)，這一點(diǎn)有利于距離測(cè)量。由于超聲回波隨距離的增加而變得十分微弱，所以在設(shè)計(jì)超聲接收電路時(shí)，要設(shè)計(jì)較大放大倍數(shù) (萬(wàn)倍級(jí) )和較好濾波特性的放大電路，使回波易于檢測(cè) 。 制作超聲傳感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲測(cè)距常用壓電材料傳感器，例如 TR40 壓電超聲傳感器。超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值會(huì)影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)壓電材料不受外力時(shí)，其應(yīng)變 S 與外加電場(chǎng)強(qiáng)度 E 的關(guān)系為： S=dE， 其中 d 為應(yīng)變電場(chǎng)常數(shù)。超聲傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響其應(yīng)變量和超聲轉(zhuǎn)換的效率，進(jìn)而影響超聲波幅值。這些會(huì)直接影響超聲波的回波幅值。所以，為提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測(cè)距精度和范圍，應(yīng)盡量提高超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值。系統(tǒng)設(shè)計(jì) 針對(duì)溫度、回波和所加脈沖電壓 對(duì)超聲測(cè)距精度的影響，在設(shè)計(jì)超聲測(cè)距儀時(shí)，從硬件和軟件兩方面綜合考慮，設(shè)置了發(fā)射、接收和顯示 幾 部分構(gòu)成了超聲測(cè)距儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個(gè)裝置的中心控制和信號(hào)處理單元為單片機(jī) AT89S51，超聲傳感器采用 TR40(40 kHz)收發(fā)超聲傳感器。 發(fā)射電路由脈沖產(chǎn)生電路和發(fā)射電路組成。脈沖產(chǎn)生電路的主要任務(wù)是產(chǎn)生 40KHz脈沖電壓。它由與非門(mén)和電阻電容構(gòu)成振蕩電路，由單片機(jī) 口控制其是否工作。發(fā)射電路主要任務(wù)是提高脈沖電壓的幅值，它主要由脈沖變壓器和開(kāi)關(guān)管構(gòu)成。脈沖產(chǎn)生電路的輸出電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓后輸出到超聲 傳感器。其中，脈沖變壓器對(duì)脈沖電壓變換值的大小直接影響測(cè)距范圍，應(yīng)盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。 接收電路的主要任務(wù)是檢測(cè)回波，并向單片機(jī)發(fā)出中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時(shí)間的測(cè)量。接收部分電路由檢波電路、濾波放大電路和整形電路組成。檢波電路拾取回波中的正半波，以便后級(jí)電路放大；整形電路把回波信號(hào)整理為單片機(jī)系統(tǒng)能夠接收的信號(hào)并向單片機(jī)申請(qǐng)中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路的主體是濾波放大電路。 由于超聲回波信號(hào)十分微弱并含有噪聲， S/N 較小，所以接收電路設(shè)置了兩級(jí)高 Q值的濾波放大電 路。濾波放大電路采用二階帶通濾波放大器，一級(jí)和二級(jí)濾波放大電路采用相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。 軟件設(shè)計(jì) ： 超聲測(cè)距儀軟件控制著系統(tǒng)的工作。 軟件修正利用下面公式： S=CT/2 在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作裝置后， 對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了超聲測(cè)距實(shí)驗(yàn)。發(fā)射的脈沖數(shù)應(yīng)選擇合適，脈沖個(gè)數(shù)多時(shí)，發(fā)射換能器可以克服其振動(dòng)慣量而獲得充分的振動(dòng)，其它聲波模式影響較小，發(fā)射的超聲脈沖能量大；但此時(shí)測(cè)距的盲區(qū)也大 (測(cè)距盲區(qū)指的是可以測(cè)量的最小距離 )，一般選擇由 8 個(gè)脈沖組成。電路在 6 米處的測(cè)量結(jié)果，幅值較小，測(cè)量過(guò)程中曾出現(xiàn)掉電現(xiàn)象，功率管發(fā)熱嚴(yán)重，這 說(shuō)明功率消耗比較大?？梢钥闯?，本電路的測(cè)量距離明顯提高，而且管子基本沒(méi)有發(fā)熱現(xiàn)象，電源保持穩(wěn)定?？梢?jiàn)，本電路的設(shè)計(jì)由于經(jīng)過(guò)較嚴(yán)格的推導(dǎo)，器件選擇合理，各參數(shù)得到優(yōu)化，改善了換能器與功放間的阻抗匹配。