基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計

摘要：文章根據(jù)超聲波特征及測距原理，運用單片機和分體式超聲波傳感器設(shè)計了一款包括發(fā)射模塊、接收模塊、溫度補償模塊、顯示模塊和單片機外圍電路的簡單超聲波測距系統(tǒng)。在3 m范圍內(nèi)對系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)多次測試，其結(jié)果表明該超聲波測距系統(tǒng)精確度高，工作穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：單片機；超聲測距；溫度補償

中圖分類號：TM41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）26-0016-02

超聲波是一種頻率大于20 kHz具有方向性好、指向性強、傳播能量大、遇到雜質(zhì)或界面時會產(chǎn)生反射波等特點的機械波。運用超聲波測距能避免光線、顏色以及電、磁場的干擾，完成傳統(tǒng)測距技術(shù)難以實現(xiàn)的液面，井下等非接觸式測量。為此，超聲波測距技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、勘探測量、海洋測量等領(lǐng)域，而關(guān)于超聲波測距系統(tǒng)的研究也在不斷發(fā)展。本文運用單片機設(shè)計一款結(jié)構(gòu)簡單、通用性強、可靠性好、操作靈活的超聲波測距系統(tǒng)。

1 超聲波測距的原理

2 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 超聲波測距系統(tǒng)硬件的設(shè)計

本超聲波測距系統(tǒng)采用低功耗，高性能，集成了ISP Flash存儲單元的CMOS 8位單片機AT89S52為處理器；采用T/R40中心頻率為40 kHz，最大輸入電壓為20 V的超聲波傳感器為接受發(fā)生器。根據(jù)AT89S52的結(jié)構(gòu)和超聲波傳感器T/R40的性能參數(shù)設(shè)計了由驅(qū)動電路和發(fā)射傳感器組成的發(fā)射模塊，由濾波、放大、比較電路組成、接收傳感器組成的接收模塊，由溫度傳感器構(gòu)成的溫度補償電路，由數(shù)碼管構(gòu)成的顯示電路。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1.1 發(fā)射電路的設(shè)計

本系統(tǒng)根據(jù)NE555P多諧振蕩器工作原理，選用適當(dāng)外圍電子元件設(shè)計了一個可產(chǎn)生40 kHz方波的超聲波發(fā)射傳感器驅(qū)動電路，其電路如圖2所示。

2.1.2 接收電路的設(shè)計

LM339和一個上拉電阻構(gòu)成檢測電路將放大器輸出的正弦信號轉(zhuǎn)化為單片機能識別的方波信號，并通過信號輸出管腳13傳送給AT89S52的P3.2腳以發(fā)出計時中斷信號。

2.1.3 溫度補償電路

2.1.4 顯示電路

顯示電路由5個LED數(shù)碼管和一些驅(qū)動三極管、電阻與AT89S52連接而成如圖4，它可以顯示溫度，超聲波傳播時間和測量的距離，其電路圖如圖4所示。

2.2 超聲波測距系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)超聲波測距系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，采用模塊設(shè)計方式設(shè)計了包括主程序、超聲波發(fā)射子程序、測溫子程序、計算子程序、數(shù)碼顯示程序、外部中斷程序和計數(shù)器中斷子程序的超聲波測距系統(tǒng)軟件，程序流程如圖5所示。

超聲波測距系統(tǒng)是通過按鍵控制其工作流程：系統(tǒng)上電后，設(shè)置定時器T0為工作方式2，顯示端口和P3.5口清零；按鍵1系統(tǒng)工作指示燈亮，開始測量溫度并觸發(fā)NE555振蕩電路發(fā)射超聲波；當(dāng)工作指示燈熄滅，測量工作結(jié)束按鍵2則可輪流顯示時間、距離和溫度。

3 實驗測試

在3 m范圍內(nèi)運用該超聲波測距系統(tǒng)對恒溫和變溫室條件下的平面物體進(jìn)行測試，其測量距離、實際距離及相對誤差結(jié)果如表1所示。

由實驗結(jié)果可以看出在3 m范圍內(nèi)本超聲波測距系統(tǒng)測量結(jié)果的相對誤差小于1.5%，并且由于系統(tǒng)進(jìn)行了溫度補償使測量結(jié)果的準(zhǔn)確度不會受溫度變化的影響。

4 結(jié) 語

由于本超聲波測距系統(tǒng)在3 m范圍內(nèi)的測試結(jié)果精確、穩(wěn)定，并且系統(tǒng)硬件電路簡、軟設(shè)計嚴(yán)謹(jǐn)簡潔、操作簡單，可以用于多種位移和距離測量。

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