【導(dǎo)讀】點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，將超聲波測(cè)距系統(tǒng)和AT89C51單片機(jī)結(jié)合于一體。的方法，具有模塊化和多用化的特點(diǎn)。整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處。理，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。展和升級(jí)，可以有效地解決汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控。

　　

【正文】 反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T40 構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出的 40kHz 的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào) 加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻 R R2 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。 3. 4. 1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)思路： 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) 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 31 所示。圖中輸出端上拉電阻 R31， R32，一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)間。 發(fā)射電路輸出波形分析 發(fā)射波形的重復(fù)性 為獲得高分辨力，發(fā)射電路設(shè)計(jì)應(yīng) 保證發(fā)射的超聲波波形有良好的重復(fù)性 。此外，所發(fā)射的超聲波應(yīng)盡量單純，即發(fā)射波的各個(gè)振動(dòng)應(yīng)近似為同一頻率的振動(dòng)，以便接收時(shí)可采用帶通濾波器消除干擾和每次都接收到同一個(gè)振動(dòng)波峰。為避免超聲波在障礙物表面反射時(shí)造成的各種損失和干擾。 由于超聲波是換能器壓電晶片振動(dòng)時(shí)推動(dòng)附近的空氣發(fā)出的疏密波，其“波形”應(yīng)與晶片振動(dòng)規(guī)律相同。發(fā)射電路設(shè)計(jì)的是否合理直接影響發(fā)射波功率和波形的重復(fù)性。 通常發(fā)射電路按發(fā)射方式分為 :單脈沖發(fā)射、多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。測(cè)距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測(cè)距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地 激發(fā)換能器晶片振動(dòng)。此方法測(cè)試距離太近 。本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別被測(cè)距離遠(yuǎn)近，設(shè). . 置發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)。 發(fā)射波形電壓及功率 傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號(hào)損失及接收機(jī)的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失 。另外考慮實(shí)際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為 20Vpp，以及單片機(jī)正常工作輸出最大電壓 5V，傳感器發(fā)射信號(hào)的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號(hào)的遠(yuǎn)近，所以考慮電壓的同時(shí)應(yīng)該考慮如何提高其功率，才能使得發(fā)射電路更合理。 T 4 0R136 0R23. 6 K超聲波發(fā)射端Q1N P N 圖 13 超聲 波發(fā)射電路原理 超聲波接收電路由超聲波傳感器、兩級(jí)放大電路和鎖相環(huán)電路組成。超聲波接收電路如圖所示。超聲波傳感器接收到的反射波信號(hào)非常微弱，兩級(jí)放大電路用于對(duì)傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行放大。鎖相環(huán)電路接收到頻率符合要求的信號(hào)后向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求。鎖相環(huán) LM567 內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率為 ，鎖定帶寬與 C3 有關(guān)。由于發(fā)送的超聲波頻率為 40kHz，幫調(diào)整相關(guān)元件使鎖相環(huán)的中心頻率為 40kHz，只響應(yīng)該頻率的信號(hào)，避免了其他頻率信號(hào)的干擾。發(fā)送出的超聲波，在遇到障礙物后，會(huì)產(chǎn)生回波，反射回 來的回波由超聲波接收頭接收到。由于聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)衰減 ,所以接收到的波形幅值比較低， 經(jīng)過接收電路放大， 整形， 最后輸出一個(gè)負(fù)跳變， 輸入單片機(jī)的 腳。送到單片機(jī)中，讓單片機(jī)中的定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，然后計(jì)算測(cè)量的時(shí)間，然后換. . 算成距離顯示出來。 Q2N P NT 4 0Q3N P NQ4N P NR34. 7 KR44. 7 KR515 0 KR615 0 KD11N41 4 8C10. 1 uC20. 1 uD21N41 4 8超聲波接收端 圖 14 超聲波接收電路 顯示電路如圖， 七段數(shù)碼管通常在顯示上我們采用的方法一般包括兩種：一種是靜態(tài)顯示，一種是動(dòng)態(tài)顯示。靜態(tài)顯示就是顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的截止或?qū)?，這種方法，每一顯示位都需要一個(gè) 8 位的輸出口控制，一般 僅用于的場(chǎng)合是顯示位數(shù)較少，其特點(diǎn)是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡(jiǎn)單，但占用端口資源多。動(dòng)態(tài)顯示就是一位一位的輪流點(diǎn)亮每個(gè)位顯示器，對(duì)每一位顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次，利用人的視覺留感達(dá)到顯示的目的，顯示器的亮度跟和點(diǎn)亮的時(shí)間與間隔的比例有關(guān)，也和導(dǎo)通的電流有關(guān)，其的特點(diǎn)是顯示穩(wěn)定性沒靜態(tài)好，程序編寫復(fù)雜，但是相對(duì)靜態(tài)顯示而言占用端口資源少，硬件成本較低。在本設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際情況采用的是共陽極動(dòng)態(tài)顯示方法。 圖 15 顯示電路 . . AT89C51 復(fù)位有一個(gè)專用的外部引腳 RESET， 外部可通過此引腳輸入一個(gè)正脈沖使單片機(jī)復(fù)位。所謂復(fù)位，就是強(qiáng)制單片機(jī)系統(tǒng)恢復(fù)到確定的初始狀態(tài)，并使系統(tǒng)重新從初始狀態(tài)開始工作。本設(shè)計(jì)采用的是電平式開關(guān)與上電復(fù)位電路，為了能使運(yùn)行中的系統(tǒng)，經(jīng)人工干預(yù)，強(qiáng)制系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。其電路圖 16 所示； 圖 16 AT89C51 復(fù)位電路 3. 8 蜂鳴器電路 本次設(shè)計(jì)通過一只蜂鳴器來提示用戶按鍵按下了，現(xiàn)在單片機(jī)開始了測(cè)距。蜂鳴器時(shí)一塊壓電晶片，在其兩端加上 3~5V 的直流電壓，就能產(chǎn)生3KHz 的蜂鳴聲。電路如 17 圖。通過單片機(jī)軟件產(chǎn)生 3KHz 的信號(hào)從 口送到三 極管 的基極，控制著電壓加到蜂鳴器上，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音。 R71kQ5N P NB U Z 1B U Z Z E RP 0. 2 . . 圖 17 蜂鳴器電路 超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道 C 語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)），所以控制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程。 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)對(duì)時(shí)間要求精度較高的部分全部由單 片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器完成，而雖然溫度傳感器的讀寫對(duì)時(shí)間精度要求也高，但經(jīng)詳細(xì)計(jì)算所得出的 C 程序已被廣泛應(yīng)用，故直接借用已有程序也能作到對(duì)溫度的準(zhǔn)確讀取，所心本設(shè)計(jì)全部使用 C 語言編程，這樣能使設(shè)計(jì)中所用到的公式能方便快捷的體現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)，又縮短了論文的篇幅。 軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷子程序、距離計(jì)算子程序、顯示子程序、鍵盤掃描處理程序等模塊組成，主程序流程圖。 單片機(jī)主控芯片是使用 AT89C51 單片機(jī)， 該單片機(jī)工作性能穩(wěn)定， 并且也是在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)使用到的控制芯 片。使用起來會(huì)比較得心應(yīng)手。發(fā)射電路是由單片機(jī)輸出端直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送。接收電路是使用三極管組成的放大電路，該電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試工作比較小。硬件電路的設(shè)計(jì)主要是包括單片機(jī)系統(tǒng)和顯示電路、超聲波發(fā)射電路以及超聲波接收電路、報(bào)警輸出電路、供電電路等幾部分。單片機(jī)采用 AT89S52，系統(tǒng)晶振采用 12MHz 高精度晶振，以獲得比較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量的誤差。單片機(jī)用 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號(hào)， 端口是監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。 顯示電路則采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 3 位共陽 LED 數(shù)碼管， 段碼輸出端口是單片機(jī)的 P2 口，位碼輸出端口分別是單片機(jī)的 、 、 口，數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用 PNP 三極管和 S9012 三極管驅(qū)動(dòng)。超聲波接收頭接收到反射的回波后，經(jīng)過接收電路處理后，向單片機(jī) 輸入一個(gè)低電平脈沖。 單片機(jī)控制超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器 T0 計(jì)時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到 由高電平變?yōu)榈碗娖胶螅? 將立即停止內(nèi)部計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。 單片機(jī)將會(huì)測(cè)得的時(shí)間與聲速相乘再除以 2 即可得到測(cè)量值，最后經(jīng)過 3 位數(shù)碼管將測(cè)得的結(jié)果顯 示出來 然后根據(jù)溫度和傳輸時(shí)間計(jì)算距離，溫度補(bǔ)償措施使測(cè)量精度有了明顯提高，計(jì)算出距離后調(diào)用距離顯示子程序， LED 顯示距離。 . . 圖 18 主程序流程 超聲波發(fā)送子程序及超聲波接收中斷子程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 端口發(fā)送左右超聲波脈沖信號(hào)（頻率約 40kHz的方波），脈沖寬度為 12μ s 左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器 T1 打開進(jìn)行計(jì)時(shí)，定時(shí)器 T1 工作在N Y N Y N Y Y N 開始 系統(tǒng)初始化 顯示測(cè)量距離 計(jì)算距離 顯示距離 超聲波測(cè)距 距離小于警值值 測(cè)量段碼轉(zhuǎn)換 N 接 收 到 反 射波？ 啟動(dòng)定時(shí)器 報(bào)警輸出 . . 方式 0。 超聲波測(cè)距儀主程序利用外中斷 1 檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波 信號(hào) ，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T1 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 T1 溢出中斷將外中斷 1 關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 0 表示此次測(cè)距不成功。 圖為超聲波發(fā)送及超聲波接收程序流程圖 圖 19 超聲波發(fā)送及超聲波接收程序流程圖 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 端口發(fā)送左右超聲波脈沖信號(hào)（頻率約 40kHz的方波），脈沖寬度為 12μ s 左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器 T1 打開進(jìn)行計(jì)時(shí)，定時(shí)器 T1 工作在方式 0。 超聲波測(cè)距儀主程序利用外中斷 1檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào) ，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T1 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 T1 溢出中斷開始 系統(tǒng)初始化 啟動(dòng)定時(shí)器 發(fā)射超聲波， T1計(jì)時(shí) 接收到反射波 T1停止時(shí)，保持定時(shí)值 . . 將外中斷 1關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 0表示此次測(cè)距不成功。 T0 中斷服務(wù)程序如下： sbit send=。 void timer0(void)interrupt 1 { send=!send。 TH0=0x1f。 TL0=0xf4。 }超聲波接收（外部中斷 1）程序： void int1(void)interrupt 2 { if(TH1!=0x00amp。amp。TH0!=0x00) { b=1。 TR1=0。 TR0=0。 t=TH1*256+TL1。 t=t/1000000。 TH0=0x1f。 TL0=0xf4。 TH1=0x00。 TL1=0x00。 } else { b=0。 TR1=0。 TR0=0。 TH0=0x1f。 TL0=0xf4。 TH1=0x00。 TL1=0x00。 } } 距離計(jì)算子程序 超聲波往返時(shí)間均測(cè)量出來后，用 C 語言根據(jù)公式計(jì)算距離來編程是比較簡(jiǎn)單的算法。 根據(jù)測(cè)量距離 ctD 21? ，而其中KTcMRTc 27310 ??? ?， 故 可 簡(jiǎn)化 為 ：KTtKTtcD 0 ????，其實(shí)現(xiàn)程序 算法如下： include void distance(void) { double radical,dist,t。 . . radical=sqrt(1+(temnum+273)/273)。 dist=*t*radical。 return(dist)。 } . . 超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)距離的兩端，一端發(fā) 射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；另一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀；此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。 超聲波測(cè)距儀硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。單片機(jī)采用 AT89C51。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz的方波信號(hào)，利用外中斷 0 口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅(qū)動(dòng)，位碼用 PNP 三極管 8550 驅(qū)動(dòng)。 超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。 C 語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算