基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計

基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計眾所周http://.LWlM.cOm知，城市軌道交通的檢修為了不打攪正常的運營通常放在半夜進展，而在此過程中如要進展一些非接觸式的檢測工程時，往往由于現(xiàn)場的光線昏暗或是檢測條件有限，通常是由檢修的老員工通過自己多年的閱歷來主觀推斷是否存在誤差。這樣憑自己的主觀工作閱歷而下的推斷無疑是給列車的安全出行埋下了安全隱患。超聲波測距技術(shù)正是一項非接觸式的測距技術(shù)，它具有傳播距離遠、能量消耗少、聚向性能佳等優(yōu)勢，特殊適用于傳播媒介是空氣的應(yīng)用環(huán)境之中。由于在空氣中波速較慢，因此簡單檢測出反射信號的信息，具有很強的辨別力量。同時，它能做到實時掌握和檢測牢靠優(yōu)勢而使其具有很高的工業(yè)有用價值，因此它被廣泛地應(yīng)用，而且價格相對低廉，不會給企業(yè)和個人使用增加太多的本錢負擔。

一、超聲波測距的工作原理渡越時間檢測法的原理就是：檢測從超聲波放射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間，即渡越時間[4]。而用在傳媒介質(zhì)為空氣中聲波的速度乘以該渡越時間就可以得出我聲波總的傳播距離。由于該距離是放射到放射面后再有接收端口接收到的，因此實際的距離則是之前聲波乘以渡越時間的一半。而對于時間的計算則是通過51單片機的內(nèi)部定時器來實現(xiàn)。

測距的詳細過程如下：通過超聲波放射裝置向某一方向或是某一反射面放射超聲波，同時激發(fā)單片機內(nèi)部的定時器開頭計時。在超聲波放射后遇到障礙物則被反射回來，之后被超聲波的接收端所接收到；與此同時，單片機的內(nèi)部定時器停頓計時。那么在單片機的內(nèi)部定時器中的這段時間就是渡越時間，之后將這段時間送給單片機進展讀取并計算，最終單片機將最終的結(jié)果顯示到數(shù)碼管上。

二、超聲波測距系統(tǒng)的組成

整個測距系統(tǒng)的話主要是由C51單片機作為核心的掌握系統(tǒng)以及放射模塊、接收模塊、報警模塊、顯示模塊、電源模塊等組成。詳細如圖1所示：

在這其中單片機作為主要的核心，它的主要的功能將會是為放射端口供應(yīng)40KHZ的高頻方波信號，經(jīng)過換能器和驅(qū)動電路后將超聲波放射出去。

而接收電路接收到反射波后，向單片機發(fā)送一個低電平的信號。單片機接收來自接收模塊的低電平信號后停頓計時并讀取出內(nèi)部定時器的數(shù)值，同時進展相應(yīng)的計算，對最終的結(jié)果進展處理后使其能顯示在3位的共陽數(shù)碼管上。而假如當測距的距離超出最大的測距范圍時，單片機也能準時觸發(fā)相應(yīng)的報警模塊進展蜂鳴報警。

其他例如顯示模塊、報警模塊、放射模塊等將在測距硬件局部中介紹。

三、超聲波測距系統(tǒng)的硬件模塊組成

（一）放射電路模塊

放射電路主要是由超聲波發(fā)送頭、超聲波脈沖變壓器、電阻、三極管組成。其中脈沖變壓器的主要功能就是對超聲波發(fā)送頭處的電壓進展升壓處理。這樣處理的好處就是能夠有效地提高發(fā)送的功率，使得我的超聲波放射的距離能夠大大地提高。

發(fā)送的過程就是我單片機通過編程使其產(chǎn)生了40KHZ的高頻信號，然后該信號通過變壓器后加載到了發(fā)送頭上，從而驅(qū)動了超聲波的發(fā)送頭發(fā)送出高頻超聲波。

（二）接收電路模塊

接收電路主要是由放大電路、檢波電路、比擬整型電路所構(gòu)成。放大電路主要是由兩組三極管所構(gòu)成，而其他2個電路則是由三極管、電容和檢波二極管所組成。

通常狀況下從放射段放射出去的超聲波經(jīng)反射回來后會有肯定程度的衰減。所以接收電路首先要做的就是對接收到的信號進展放大處理。通過兩組的三級管構(gòu)成的放大電路進展放大，每組放大倍數(shù)定為70倍。之后通過由IN4148構(gòu)成的檢波電路和電容組成的整型電路后，輸出的直流信號能被單片機有效地讀取到。采納這種電路設(shè)計方法可以使得接收性能穩(wěn)定且構(gòu)造簡潔。

（三）顯示電路

顯示電路主要是由3位共陽級的數(shù)碼管為主體所構(gòu)成的。由于筆者所采納的是動態(tài)掃描的讀取方式，因此還加上了S9012三極管來驅(qū)動數(shù)碼管的工作。

（四）報警電路

報警電路的主要是由蜂鳴器、電阻、三極管所組成。在其中設(shè)定當在進展測量中測量的距離值小于預先設(shè)好的值時，蜂鳴器將會被觸發(fā)，并賜予報警信號。一旦高于設(shè)定的值時，將會停頓報警。

三、軟件編程設(shè)計與思路

超聲波測距儀的軟件編程主要是可以將軟件執(zhí)行的主要過程分為幾個模塊來思索。將其分為主程序模塊、超聲波輸出模塊、超聲波接收模塊以及顯示模塊。主程序?qū)⒆鳛檎麄€程序的核心，依據(jù)相應(yīng)的需要來調(diào)用其他的相應(yīng)子模塊。同時在程序的執(zhí)行過程中，由于該軟件程序既涉及到有時間要求較高的掌握過程（比方對于單片機內(nèi)部定時器的開關(guān)的觸發(fā)）又涉及到一系列簡單的計算問題（比方數(shù)值類型的轉(zhuǎn)換和計算等），因此綜合比擬分析下來，使用單片機的C51語言編程比匯編語句更加有效。

（一）主程序模塊

主程序模塊首先進展的是整個系統(tǒng)的環(huán)境初始化，對所用的變量恢復原始設(shè)置。之后便是對定時器開頭進展肯定的配置。其值為0時代表其執(zhí)行計數(shù)功能，而其值為1則代表執(zhí)行定時功能。過了初始化這個步驟后，當定時器標定位是0時進展的就是調(diào)用超聲波輸出模塊，使得40KHZ的方波信號從超聲波放射頭中放射出去，同時啟動單片機的內(nèi)部定時器，開頭計時。

隨后緊接著一步就是進展推斷，推斷測距的距離是否在標定的范圍內(nèi)，假如不在則調(diào)用相應(yīng)的報警功能。假如在相應(yīng)的標定距離則進入while循環(huán)語句中，調(diào)用顯示模塊，用來不連續(xù)顯示測距的結(jié)果值。流程圖如圖2所示：

（二）超聲波輸出及接收子程序設(shè)計思路

該子程序模塊的調(diào)用條件即是當之前單片機內(nèi)部定時器的標定位為1時被觸發(fā)。此時程序執(zhí)行的就是由單片機發(fā)送4個肯定頻率的超聲脈沖加載到超聲波發(fā)送頭上，之后馬上激發(fā)定時器開頭計時。

之后將要執(zhí)行一個延時子程序。這個延時子程序的作用就是防止當我的超聲波從放射頭中放射出去時直接就被我的接收局部的接收頭收到。這種由引起的直射波觸發(fā)假如不進展延時處理，將會對整個測距的精確性帶來嚴峻的誤差。同樣也正是由于這個緣由，造成測距會有一個最小測距距離，也就是俗稱的盲區(qū)值[5]。

之后就進入到接收子程序中。接收子程序主要就是進展一個推斷，這次的推斷主要針對接收端是否接收到了回波的信號。假如收到了回波信號則單片機內(nèi)部定時器準時停頓計時。下一步開頭依據(jù)時間計算出相應(yīng)的測量值。而假如接收端沒有收到回波則，檢查延時時間是否已到，假如已經(jīng)到達了延時時間則停頓計時；假如沒有到，則連續(xù)檢測接收端是否收到回波。詳細如圖3所示。

（三）顯示子程http://.LWlM.cOm序的設(shè)計思路

顯示子程序的主要思路就是在顯示之前先加段位轉(zhuǎn)換的小程序。依據(jù)之前測距距離的推斷結(jié)果調(diào)用之前存在靜態(tài)存儲區(qū)內(nèi)的段位組合狀況。之后再使用動態(tài)掃描的方法將其顯示出來。由于這局部學問包括動態(tài)掃描等方法都是單片機技術(shù)中一些比擬常見和通用方法。在此也就不加具體闡述了。

四、結(jié)語

在完成了硬件的焊接和軟件編程后，為了驗證這個測距系統(tǒng)的準確性能指標，筆者在學院試驗室內(nèi)進