超聲波測距儀硬件電路設(shè)計(jì)

1、第三章超聲波測距儀硬件電路的設(shè)計(jì)3.1 超聲波測距儀硬件電路硬件電路可分為單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、 超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收 電路三部分。3.1.1 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路本系統(tǒng)采用AT89S5抹實(shí)現(xiàn)對超聲波傳感器白控制。單片機(jī)通過 P1.0引腳 經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測INT0引腳，當(dāng)INT0引腳 的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。超聲波測距的硬件示意圖如圖3所示：單片機(jī)采用89S52或其兼容系列。采用12MHzt精度的晶振，已獲得較穩(wěn)定 的時(shí)鐘頻率，減少測量誤差。單片

2、機(jī)用P1.0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 口檢測超聲波接收電路輸出的返回信號。3.1.2 顯示的輸出顯示的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到CRT顯示器等，都可以與 微機(jī)連接。其中單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最常用的顯示是發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器（簡稱 LED顯示器）。液晶顯示器簡LCD LED顯示器價(jià)廉，配置靈活，與單片接口方便， LCD可顯示圖形，但接口較復(fù)雜成本也較高。該電路使用7段LED構(gòu)成字型“8”，另外還有一個(gè)發(fā)光二極管顯示符號及小 數(shù)點(diǎn)。這種顯示器分共陽極和共陰極兩種。這里采用共陽極LED顯示塊的發(fā)光二 極管陽極共接，如下圖3-1所示，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極為

3、低電平時(shí)， 該發(fā)光 二極管亮。它的管腳配置如下圖 3-2所示。comVCCI .:com圖3-1圖3-2實(shí)際上要顯示各種數(shù)字和字符，只需在各段二極管的陰極上加不同的電平,就可以得到不同的代碼。這些用來控制LED顯示的不同電平代碼稱為字段碼 （也 稱段選碼）。如下表為七段LED的段選碼。0口00口口圖3-3單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路表3-1七段LED的段選碼顯示字符共陽極段選碼dp gfedcba顯示字符共陽極段選碼dp gfedcba0C0HA88H1F9HB83H2A4HCC6H3B0HDA1H499HE86H592HF8EH682HP8CH7F8Hy91H880H8.00H990H“滅”FFH本

4、系統(tǒng)顯示電路采用簡單實(shí)用的 4位共陽LED數(shù)碼管，位碼用PNP三極管 8550驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)系統(tǒng)顯示電路如圖 3-3所示。3.1.1 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖3-4所示。發(fā)射電路主要有反向器 CD406環(huán)口超聲波發(fā)生換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P1.0的端口輸出40KHz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(gè)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(gè)電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，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。上拉電阻 R1Q R11 一方面可以提高反向器741S04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以 增加超

5、聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩的時(shí)間。圖3-4超聲波發(fā)射電路原理圖3.1.2 超聲波檢測接收電路集成電路CX20106Al一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外 遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38KHZW測距的超聲波頻率40KHZ 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路（如圖 3-5）。實(shí)驗(yàn)證明用 CX20106As受超聲波（無信號時(shí)輸出高電平），具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干 擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。圖5圖3-5超聲波檢測接收電路原理圖第四章 超聲波測距儀系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)4.1 超聲波測距儀的程序設(shè)計(jì)超聲波測距器的軟件設(shè)

6、計(jì)主要由主程序， 超聲波發(fā)生子程序，超聲波接受中 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并且容易精確計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測距器的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），有要求精確計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲 波測距時(shí)），所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。下面對超聲波測 距器的算法、主程序、超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收斷程序逐一介紹。4.1.1 超聲波測距器的算法設(shè)計(jì)圖4-1示意了超聲波測距的原理，即超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超 聲波信號，當(dāng)這個(gè)超聲波信號遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計(jì)算出從

7、發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時(shí)間，就可以計(jì)算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。TR圖4-1超聲波測距的示意圖距離的計(jì)算公式：d=s/2=（c*t）/2其中d為被測物與測距器的距離，s為聲波的來回路程，c為聲波，t為聲 波來回所用的時(shí)間。由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與溫度有關(guān)，表4-1列出了幾種不同溫 度下的超聲波聲速，在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的， 如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?聲速校正后，只要 測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。表4-1不同溫度下超聲波聲速表溫度/C-30-20-100102030100聲速c/m/s；313319

8、3253233383443493864.1.2 主程序主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)定定時(shí)器 T0工作模式為6位定時(shí)計(jì)數(shù) 器模式，置位總中斷允許位 EA并給顯示端口 P0和P2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā) 生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約0.1ms （這也就是超聲波測距器會(huì)有一個(gè)最小測距離的原因）后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12MHz勺晶 振，計(jì)算器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1us,當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì) 數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按式（1-2）計(jì)算，即可得被測物體 與測距器之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取

9、 20c時(shí)的聲速為344m/s則有D=（c*t）/2=172T0/10000cm1-2其中T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值。測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCM方式送往LED顯示約0.5s ,然后再發(fā)超 聲波脈沖重復(fù)測量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用 C語言編寫。圖4-1為主程序流程圖。圖4-1主程序流程圖系統(tǒng)程序流程圖如圖4-2所示:開始開中斷準(zhǔn)備接收圖4-2超聲波測距程序流程圖工作時(shí)，微處理器AT89S5況把P1.0置0,啟動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波， 同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器T0開始計(jì)時(shí)。由于我們采用的超聲波傳感器是收發(fā)一體的， 所以在發(fā)送完16個(gè)脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返

10、回信號識別消除超 聲波傳感器的發(fā)送信號，要檢測返回信號必須在啟動(dòng)發(fā)射信號后2.38ms才可以檢測，這樣就可以抑制輸出得干擾。當(dāng)超聲波信號碰到障礙物時(shí)信號立刻返回， 微處理器不停的掃描INT0弓I腳，如果INT0接收的信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，?時(shí)表明信號已經(jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時(shí)器。再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過 換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。4.2超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 P1.0端口發(fā)送2個(gè)左右超聲波脈沖信號（頻 率約為40kHz的方波），脈沖寬度為12us左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。 超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運(yùn)行時(shí)

11、間準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。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（即INT0引腳出現(xiàn)低電平）立即 進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷程序后立 即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出是還未檢測到超聲波返回信號，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值 2以表示本次測距不成功。第五章超聲波測距儀誤差分析與調(diào)試5.1 誤差來源分析由超聲波測距原理可知，它是基于聲波速度不隨頻率變化為基礎(chǔ)的， 利用聲 波行進(jìn)于待測距離的時(shí)間為測量參量確定待測間距。主要誤差來源有：(D聲波速度變化引起的誤差，這與空氣的元素含量以及空氣溫度

12、有關(guān)。c =由聲波傳播速度R TM可知，聲速是與空氣的分子量與M以及空氣溫度T有關(guān)。(2)脈沖計(jì)數(shù)頻率的穩(wěn)定性是直接導(dǎo)致“等效標(biāo)準(zhǔn)尺”長度變化的因素。N CmL =2- mf = L mf / f由測長誤差關(guān)系式f可得，當(dāng)脈沖頻率準(zhǔn)確到10-5時(shí),如果測量距離L是0 100米的tS, mL =0.001米，此誤差遠(yuǎn)小于超生測長誤差。(3)開關(guān)門的可靠性是標(biāo)志超聲波測距可靠性的關(guān)鍵，即同步門控制。也 就是說，超聲波發(fā)射與脈沖計(jì)數(shù)必須同步開門。 所以，非同步性帶來的隨機(jī)誤差 會(huì)影響結(jié)果。5.2 調(diào)試過程超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用15的超聲波換能器TCT40-10F

13、 1(T發(fā)射)和TCT40-10SR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48cm1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(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。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 和兩次測量的間隔時(shí)間，以適 應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為 0.075.5m,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(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)際使用的測量要求。調(diào)試注意事項(xiàng)：一超聲波探頭表面嚴(yán)禁用手及其它物體觸摸以免產(chǎn)生信號滯后性及損壞二所有IC器件最好拔下烙鐵插頭再焊接，以免損壞.三按圖安裝完畢后接上12V電源，測距部分只要安裝正確 不必進(jìn)