【導(dǎo)讀】系統(tǒng)由單片機、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控制計算超聲波從發(fā)射到接收的傳送時間，從而得到待測距離。易檢測、軟件功能完善，工作可靠、準確度高等優(yōu)點。本文論述了單片機技術(shù)研制成功的超聲波測距儀的基本原理，測量計算方法，實現(xiàn)方案。采用軟件校正，提高了測量精度和整機的可靠性。實際使用表明，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 傳感器探測物體的區(qū)別 配置方式 用途 特征 直接型 遙控 探測物體 1：探測靈敏度可自由 設(shè)定，易于設(shè)計； 2：設(shè)置場所需要在兩 處； 反射方式 探測物體 測量距離 1：需要從 T 向 R 直接 迂回輸入的對策； 2：可使用 T 和 R 專用 的傳感感器，效率高； 3：多用于近距離； 反射方式（兼用型） 探測物體 測量距離 1：需要發(fā)送接收切換電路 2：不能近距離測量； 系統(tǒng)軟件設(shè)計 本設(shè)計 就是 以 AT89S51 單片機 為核心。它采用模塊化設(shè)計，由主程序、發(fā)射子程序 、接收子程序、定時子程序、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，當按下測量鍵時，主程序開始調(diào)用發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時子程序，并把測量結(jié)果用顯示子程序在數(shù)碼管上顯示出來。雖然用一個單獨計時器電路也可以測量超聲波的傳輸時間，但利用 AT89S51 單片機可以簡化設(shè)計，便于操作和直觀讀數(shù)。 為了增強系統(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 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。 定時中斷服務(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 時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。如圖 314 和 315。 單片機初始化 開始 定時中斷子程序 有回波嗎 外部中斷子程序 結(jié)束 16 圖 314定時中斷子服務(wù)子程序 圖 315外部中斷服務(wù)子程序 計算距離 讀取時間值 關(guān)外部中斷 外部中斷入口 返回 開外部中斷 結(jié)果輸出 定時中斷入口 停止發(fā)射 發(fā)射超聲波 定時器初始化 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 1～ 60cm，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(fù)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。 本 章將要 分析溫度對超聲波聲速的影響，超聲波回波檢測對超聲波傳播時間的影響，超聲傳感器所加脈沖電壓對測試精度的影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了超聲 波數(shù)字 測距儀。實驗表明，注意以上三方面的因素能夠提高超聲測距精度。 超聲波測距由于其在使用中不受光照度、電磁場、色彩等因素的影響，加之結(jié)構(gòu)簡單成本低，在機器人避障和定位、汽車倒車、水庫液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。從原理上講，超聲測距有脈沖回波法、共振法 和頻差法。其中脈沖回波法測距常用，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時間 ts，在已知超聲波聲速 Cs 的前提下，可計算被測物的距離 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間很難精確測量。這些因素使超聲波測距的精度和范圍受到影響。本章 從引起超聲測距誤差的原因入手，分析了溫度對超聲波聲速的影響；回波檢測對時間測量的影響和超聲傳感器所加電壓對測量精度和范圍的影響。在 此基礎(chǔ)上，開發(fā)出 了以AT89S51 單片機為核心，采用 40KHz 壓電超聲傳感器，應(yīng)用 廣泛的 超聲測距儀?？諝庵袀鞑サ某暡ㄊ怯蓹C械振動產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實現(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， T=， CS= m/s； 40℃ 時， T=， CS= m/s； 20℃ 時 , T＝ ， CS= m/s；從上面的計算可以看出，溫度對超聲波在空氣 中的傳播速度有明顯的影響。當需要精確確定超聲波傳播速度時，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，遇到被測物反射后，再傳回超聲傳感器。整個過程，超聲波會有很大的衰減。其衰減遵循指數(shù)規(guī)律 。 設(shè)在距離超聲接收器 x 處有被測物，超聲波頻率越高，其衰減越快。同時超聲波頻率 18的過高會產(chǎn)生較多的副瓣，引起近場區(qū)的干涉。但是，超聲波頻率越高，指向性越強，這一點有利于距離測量。由于超聲回波隨距離的增加而變得十分微弱，所以在設(shè)計超聲接收電路時，要設(shè)計較大放大倍數(shù) (萬倍級 )和較好濾波特性的放大電路，使回波易于檢測 。 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影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當壓電材料不受外力時，其應(yīng)變 S 與外加電場強度 E 的關(guān)系為： S=dE， 其中 d 為應(yīng)變電場常數(shù)。超聲傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場強度，從而影響其應(yīng)變量和超聲轉(zhuǎn)換的效率，進而影響超聲波幅值。這些會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 針對溫度、回波和所加脈沖電壓 對超聲測距精度的影響，在設(shè)計超聲測距儀時，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)成了超聲測距儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個裝置的中心控制和信號處理單元為單片機 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。它由與非門和電阻電容構(gòu)成振蕩電路，由單片機 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，脈沖變壓器對脈沖電壓變換值的大小直接影響測距范圍，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)是檢測回波，并向單片機發(fā)出中斷以停止計時。接收電路設(shè)計的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時間的測量。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，以便后級電路放大；整形電路把回波信號整理為單片機系統(tǒng)能夠接收的信號并向單片機申請中斷以停止計時。接收電路的主體是濾波放大電路。 由于超聲回波信號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，一級和二級濾波放大電路采用相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。 軟件設(shè)計 ： 超聲測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)計和制作裝置后， 對設(shè)計的電路進行了超聲測距實驗。發(fā)射的脈沖數(shù)應(yīng)選擇合適，脈沖個數(shù)多時，發(fā)射換能器可以克服其振動慣量而獲得充分的振動，其它聲波模式影響較小，發(fā)射的超聲脈沖能量大；但此時測距的盲區(qū)也大 (測距盲區(qū)指的是可以測量的最小距離 )，一般選擇由 8 個脈沖組成。電路在 6 米處的測量結(jié)果，幅值較小，測量過程中曾出現(xiàn)掉電現(xiàn)象，功率管發(fā)熱嚴重，這 說明功率消耗比較大?？梢钥闯?，本電路的測量距離明顯提高，而且管子基本沒有發(fā)熱現(xiàn)象，電源保持穩(wěn)定?？梢?，本電路的設(shè)計由于經(jīng)過較嚴格的推導(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。