【導(dǎo)讀】點和優(yōu)勢，將超聲波測距系統(tǒng)和AT89C51單片機結(jié)合于一體。的方法，具有模塊化和多用化的特點。整個電路采用模塊化設(shè)計，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。各探頭的信號經(jīng)單片機綜合分析處。理，實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(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，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 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號 加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。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，縮短其自由振蕩時間。 3. 4. 1 發(fā)射電路設(shè)計思路： 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。 40 kHz 左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由555 振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機 端口輸出 40 kHz 左右的方波脈沖信號，由于單片機端口輸出功率不夠， 40 kHz 方波脈沖信號分成兩路，送給一個由 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)射波的各個振動應(yīng)近似為同一頻率的振動，以便接收時可采用帶通濾波器消除干擾和每次都接收到同一個振動波峰。為避免超聲波在障礙物表面反射時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時推動附近的空氣發(fā)出的疏密波，其“波形”應(yīng)與晶片振動規(guī)律相同。發(fā)射電路設(shè)計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。測距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地 激發(fā)換能器晶片振動。此方法測試距離太近 。本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)自動識別被測距離遠(yuǎn)近，設(shè). . 置發(fā)射脈沖個數(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)射信號損失及接收機的靈敏度，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 。另外考慮實際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為 20Vpp，以及單片機正常工作輸出最大電壓 5V，傳感器發(fā)射信號的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號的遠(yuǎn)近，所以考慮電壓的同時應(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非常微弱，兩級放大電路用于對傳感器接收到的信號進(jìn)行放大。鎖相環(huán)電路接收到頻率符合要求的信號后向單片機發(fā)出中斷請求。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，避免了其他頻率信號的干擾。發(fā)送出的超聲波，在遇到障礙物后，會產(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會衰減 ,所以接收到的波形幅值比較低， 經(jīng)過接收電路放大， 整形， 最后輸出一個負(fù)跳變， 輸入單片機的 腳。送到單片機中，讓單片機中的定時器停止計時，然后計算測量的時間，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，一種是動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示就是顯示某一字符時，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 8 位的輸出口控制，一般 僅用于的場合是顯示位數(shù)較少，其特點是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡單，但占用端口資源多。動態(tài)顯示就是一位一位的輪流點亮每個位顯示器，對每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次，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亮的時間與間隔的比例有關(guān)，也和導(dǎo)通的電流有關(guān)，其的特點是顯示穩(wěn)定性沒靜態(tài)好，程序編寫復(fù)雜，但是相對靜態(tài)顯示而言占用端口資源少，硬件成本較低。在本設(shè)計中根據(jù)實際情況采用的是共陽極動態(tài)顯示方法。 圖 15 顯示電路 . . AT89C51 復(fù)位有一個專用的外部引腳 RESET， 外部可通過此引腳輸入一個正脈沖使單片機復(fù)位。所謂復(fù)位，就是強制單片機系統(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)計采用的是電平式開關(guān)與上電復(fù)位電路，為了能使運行中的系統(tǒng)，經(jīng)人工干預(yù)，強制系統(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)計通過一只蜂鳴器來提示用戶按鍵按下了，現(xiàn)在單片機開始了測距。蜂鳴器時一塊壓電晶片，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。通過單片機軟件產(chǎn)生 3KHz 的信號從 口送到三 極管 的基極，控制著電壓加到蜂鳴器上，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音。 R71kQ5N P NB U Z 1B U Z Z E RP 0. 2 . . 圖 17 蜂鳴器電路 超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要由主程序、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)計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計算（計算距離時），又要求精細(xì)計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程。 因為本設(shè)計對時間要求精度較高的部分全部由單 片機內(nèi)部的定時器完成，而雖然溫度傳感器的讀寫對時間精度要求也高，但經(jīng)詳細(xì)計算所得出的 C 程序已被廣泛應(yīng)用，故直接借用已有程序也能作到對溫度的準(zhǔn)確讀取，所心本設(shè)計全部使用 C 語言編程，這樣能使設(shè)計中所用到的公式能方便快捷的體現(xiàn)和實現(xiàn)，又縮短了論文的篇幅。 軟件采用模塊化設(shè)計方法，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。 單片機主控芯片是使用 AT89C51 單片機， 該單片機工作性能穩(wěn)定， 并且也是在單片機課程設(shè)計中經(jīng)常會使用到的控制芯 片。使用起來會比較得心應(yīng)手。發(fā)射電路是由單片機輸出端直接驅(qū)動超聲波發(fā)送。接收電路是使用三極管組成的放大電路，該電路設(shè)計簡單，調(diào)試工作比較小。硬件電路的設(shè)計主要是包括單片機系統(tǒng)和顯示電路、超聲波發(fā)射電路以及超聲波接收電路、報警輸出電路、供電電路等幾部分。單片機采用 AT89S52，系統(tǒng)晶振采用 12MHz 高精度晶振，以獲得比較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量的誤差。單片機用 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號， 端口是監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。 顯示電路則采用簡單實用的 3 位共陽 LED 數(shù)碼管， 段碼輸出端口是單片機的 P2 口，位碼輸出端口分別是單片機的 、 、 口，數(shù)碼管位驅(qū)運用 PNP 三極管和 S9012 三極管驅(qū)動。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 輸入一個低電平脈沖。 單片機控制超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動內(nèi)部計時器 T0 計時，當(dāng)檢測到 由高電平變?yōu)榈碗娖胶螅? 將立即停止內(nèi)部計時器計時。 單片機將會測得的時間與聲速相乘再除以 2 即可得到測量值，最后經(jīng)過 3 位數(shù)碼管將測得的結(jié)果顯 示出來 然后根據(jù)溫度和傳輸時間計算距離，溫度補償措施使測量精度有了明顯提高，計算出距離后調(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（頻率約 40kHz的方波），脈沖寬度為 12μ s 左右，同時把計數(shù)器 T1 打開進(jìn)行計時，定時器 T1 工作在N Y N Y N Y Y N 開始 系統(tǒng)初始化 顯示測量距離 計算距離 顯示距離 超聲波測距 距離小于警值值 測量段碼轉(zhuǎn)換 N 接 收 到 反 射波？ 啟動定時器 報警輸出 . . 方式 0。 超聲波測距儀主程序利用外中斷 1 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波 信號 ，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計時器 T1 停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T1 溢出中斷將外中斷 1 關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值 0 表示此次測距不成功。 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（頻率約 40kHz的方波），脈沖寬度為 12μ s 左右，同時把計數(shù)器 T1 打開進(jìn)行計時，定時器 T1 工作在方式 0。 超聲波測距儀主程序利用外中斷 1檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號 ，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計時器 T1 停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T1 溢出中斷開始 系統(tǒng)初始化 啟動定時器 發(fā)射超聲波， T1計時 接收到反射波 T1停止時，保持定時值 . . 將外中斷 1關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值 0表示此次測距不成功。 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。 } } 距離計算子程序 超聲波往返時間均測量出來后，用 C 語言根據(jù)公式計算距離來編程是比較簡單的算法。 根據(jù)測量距離 ctD 21? ，而其中KTcMRTc 27310 ??? ?， 故 可 簡化 為 ：KTtKTtcD 0 ????，其實現(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)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā) 射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；另一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀；此次設(shè)計采用反射波方式。 超聲波測距儀硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用 AT89C51。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz的方波信號，利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅(qū)動，位碼用 PNP 三極管 8550 驅(qū)動。 超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要由主程序、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)計算