基于STC89C52RC的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李航，王可人

(解放軍電子工程學(xué)院 304實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230037)

0 引言

超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而經(jīng)常被用于距離的測量。超聲波測距是一種非接觸式的檢測方式。與其他方法相比，如電磁或光學(xué)的方法，它不受光線、被測對(duì)象顏色等影響。對(duì)于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度液較其他方法為高。而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)，檢測比較迅速、方便，計(jì)算簡單，易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。

1 超聲波測距及系統(tǒng)工作原理

1.1 超聲波測距原理

超聲波是高于聽覺頻率閾值的機(jī)械波，其頻率在104Hz～1012Hz之間。超聲波具有直線傳播特性，頻率越高，反射能力越強(qiáng)，而繞射能力越弱，表現(xiàn)出更強(qiáng)的方向性。利用超聲波的這種特性，采用時(shí)間差值檢測法（常稱渡越時(shí)間檢測法）進(jìn)行距離的測量。其測距原理是超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中傳播，碰到障礙物反射回來，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間延遲計(jì)算出距離，計(jì)算公式為：

聲波在空氣中傳輸速率的近似表達(dá)式為：

式中：T表示介質(zhì)的溫度（℃）；S表示探測距離；V表示超聲波的傳播速度，其值受到溫度和介質(zhì)的影響；t表示從發(fā)送超聲波到反射回波的時(shí)間間隔。

1.2 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)的核心部件為超聲波傳感器和STC89C52RC單片機(jī)。系統(tǒng)采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)間頻率，減少測量誤差。STC89C52RC用P1.0端口發(fā)出一個(gè)40kHz的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)射出一串超聲波脈沖，同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)測量超聲波傳播的時(shí)間。當(dāng)脈沖到達(dá)被測目標(biāo)時(shí)，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。當(dāng)接收到信號(hào)時(shí)，外部中斷發(fā)出指令讓計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這樣就能夠得到發(fā)射到接收的時(shí)間差△t。同時(shí)溫度補(bǔ)償電路也將采集到的現(xiàn)場環(huán)境溫度送到單片機(jī)，提供計(jì)算距離時(shí)對(duì)超聲波傳播速度的修正。最終單片機(jī)利用公式（1）、（2）計(jì)算出被測距離，并在LED上顯示出結(jié)果。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件主要包括STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)，超聲波發(fā)射電路和接收電路、溫度檢測電路、鍵盤電路和LED顯示電路等部分。超聲波測距系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控制器主要由單片機(jī)STC89C52RC、振蕩器和復(fù)位電路3部分組成，它是單片機(jī)工作的必要組成部分，又稱為單片機(jī)最小系統(tǒng)。它是測距系統(tǒng)的控制中樞，也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。在測距系統(tǒng)中發(fā)揮4個(gè)作用：（1）實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話；（2）控制超聲波的發(fā)射；（3）處理超聲波接收電路和補(bǔ)償電路接收的信號(hào);（4）時(shí)間轉(zhuǎn)化成距離的數(shù)據(jù)處理。

2.2 超聲波發(fā)射電路

發(fā)射電路由2個(gè)三極管、環(huán)形磁芯變壓器、發(fā)射超聲換能器組成，如圖2所示。本系統(tǒng)的超聲波傳感器采用UCM40壓電陶瓷傳感器。P1.0端口產(chǎn)生40kHz的方波信號(hào)，接入發(fā)射電路的輸入端。由于單片機(jī)端口產(chǎn)生的方波信號(hào)太弱，需放大該信號(hào)，同時(shí)利用射極跟隨電路，以增強(qiáng)帶負(fù)載能力。超聲波傳感器在放大信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，發(fā)射超聲波脈沖。

圖2 超聲波發(fā)射電路原理圖

2.3 超聲波接收電路

超聲波接收電路通過超聲波傳感器接收回波信號(hào)并將其放大，之后將放大的信號(hào)整形為數(shù)字信號(hào)，作為中斷信號(hào)送入STC89C52RC外中斷器，使其產(chǎn)生中斷。因此，該電路可分為放大部分和整形部分。具體電路如圖3所示。3個(gè)LM324運(yùn)算放大器組成三級(jí)回波信號(hào)放大電路，放大后的信號(hào)再經(jīng)一個(gè)4011反相整形后，送給單片機(jī)外部中斷P3.3端口。

圖3 超聲波接收電路原理圖

2.4 溫度檢測電路

溫度檢測電路用來實(shí)時(shí)測量周圍環(huán)境的溫度，補(bǔ)償傳播速度變化對(duì)傳播距離的影響。本系統(tǒng)采用溫度傳感器DS18B20作為檢測元件，測溫范圍－55℃～+125℃，固有測溫分辨率最大可達(dá)0.0625℃。DS18B20可以直接讀出被測溫度值，而且采用3線制與單片機(jī)相連，減少了外部硬件電路，

2.5 鍵盤和顯示接口電路

本系統(tǒng)采用ZLG7290鍵盤及數(shù)碼管專用驅(qū)動(dòng)芯片。ZLG7290與單片機(jī)STC89C52RC采用I2C接口進(jìn)行通信。ZLG7290可以驅(qū)動(dòng)8位共陰數(shù)碼管或者64個(gè)獨(dú)立的LED以及64個(gè)按鍵。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件分為2部分：主程序和中斷服務(wù)程序，流程圖如圖5所示。主程序完成初始化、超聲波發(fā)射、接收控制和顯示等工作。中斷服務(wù)程序包括定時(shí)中斷服務(wù)子程序和外部中斷服務(wù)子程序，分別完成超聲波的發(fā)射、距離計(jì)算及溫度補(bǔ)償?shù)裙ぷ鳌?/p>

圖5 程序流程圖

4 測量數(shù)據(jù)

一般情況下，應(yīng)測量幾次數(shù)據(jù)取其平均值，目的是為減少由于測量過程中的系統(tǒng)抖動(dòng)引起的誤差。表1的數(shù)據(jù)都是在測距系統(tǒng)固定的情況下測量的。由于本設(shè)計(jì)沒有考慮其他環(huán)境因素（如：氣壓、濕度……）的影響，只考慮了溫度補(bǔ)償?shù)挠绊懀栽跍y量的時(shí)候給測量結(jié)果帶來了一定的誤差。由表1可見測量精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表1 測量數(shù)據(jù)（單位：mm）

5 結(jié)論

該系統(tǒng)由鍵盤控制，通過選擇不同的按鍵來選擇不同的功能。利用對(duì)超聲波渡越時(shí)間的測量來實(shí)現(xiàn)距離的測量。因此，距離測量的精度就轉(zhuǎn)化為時(shí)間測量的精度了。系統(tǒng)對(duì)該系統(tǒng)測量誤差進(jìn)行了分析，采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ蛊錅y量更精確。選用了UCM40T/R壓電陶瓷傳感器，設(shè)計(jì)并制作完成了超聲波測距系統(tǒng)的硬件部分，編寫了相應(yīng)的運(yùn)行軟件，進(jìn)行了調(diào)試和試運(yùn)行，結(jié)果還是令人滿意的。

[1]楊帆，劉暢，馬俊，張敬泉.超聲波測距儀研究[J].電子器件，2009(4).

[2]劉彬，楊子建，白楠，賈麗，袁小平.超聲波液位監(jiān)測裝置的研制[J].科技資訊，2009(5).

[3]龔軍，羅杰.帶有溫度補(bǔ)償和LCD顯示的超聲波測距儀設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用，2008(7).

[4]周凱，趙望達(dá)，趙迪，劉靜.高精度超聲波測距系統(tǒng)[J].裝備制造技術(shù)，2006(5).

[5]龐京玉，王駿.高精度超聲波測距系統(tǒng)開發(fā)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2009(3).

[6]曲明輝，李振波，陳佳品.基于ARM微控制器的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微處理機(jī)，2009(4).

[7]朱士虎，何培忠，王立巍.基于AT89S52超聲波測距儀設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2009(6).

[8]胡瑞，周錫青.基于超聲波傳感器的測距報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技信息，2009(7).

[9]宋繼紅.基于單片機(jī)的高精度超聲波液位檢測系統(tǒng)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009(5).

[10]張軍.AVR單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實(shí)例[M].北京：中國電力出版社，2005(8).

[11]陳汝全，劉運(yùn)國，雷國君.基于超聲波傳感器的測距報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[12]李光飛，李良兒，樓然苗.單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)實(shí)例指導(dǎo)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.