基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)

王鑫彤

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

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基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)

王鑫彤

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以說明單片機(jī)的應(yīng)用廣泛，而且還可以進(jìn)一步了解，掌握單片機(jī)的開發(fā)方法。本文主要是圍繞著超聲測(cè)距系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理，硬件設(shè)計(jì)電路以及軟件程序設(shè)計(jì)方面進(jìn)行論述的，并且在軟件程序?qū)崿F(xiàn)部分給出了部分的流程圖。超聲測(cè)距系統(tǒng)在很多領(lǐng)域中有著重要的意義。

單片機(jī) 超聲 測(cè)距

1　引言

傳統(tǒng)的測(cè)距儀器一般選擇的是超聲波，雷達(dá)以及激光等，然而由于如果采用雷達(dá)和激光進(jìn)行測(cè)距的話就會(huì)增加成本的預(yù)算，因此這兩種儀器的使用并沒有得到廣泛的推廣與運(yùn)用，除此之外，雷達(dá)和激光對(duì)一些領(lǐng)域是存在著限制性的，主要是用在軍事方面比較多。在這種情況下，超聲波的測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，這種系統(tǒng)的成本投入比較多，而且容易實(shí)現(xiàn)，另外系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)方面相對(duì)其他儀器而言比較簡(jiǎn)單，此外考慮到超聲波可以在傳播的期間實(shí)現(xiàn)不受煙霧等因素的影響，而且由于對(duì)待電磁場(chǎng)以及光線方面不是很敏感，因而用在黑暗的環(huán)境以及灰塵比較多的環(huán)境中比較適合，超聲波測(cè)距系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)在很多的領(lǐng)域中都可以發(fā)揮很大的實(shí)力，應(yīng)用的場(chǎng)合其中就包括了海洋測(cè)量以及工業(yè)，建筑領(lǐng)域方面。

2　超聲測(cè)距原理

超聲測(cè)距的原理涉及到了脈沖回波，脈沖回波的這一個(gè)概念誕生于1964年，主要的原理是通過用超聲的脈沖去激勵(lì)超聲的探頭，從而會(huì)發(fā)生向外輻射的現(xiàn)象，然后經(jīng)過反射后接收到的信號(hào)就是超聲波，也可以稱為是回波。記下超聲波出發(fā)的初始時(shí)間到接收到的時(shí)間這個(gè)過程的時(shí)間段設(shè)置為ToF。關(guān)于這個(gè)距離測(cè)量會(huì)受到很多因素的影響，比如傳輸過程中的溫度，壓強(qiáng)以及空氣中的密度等等。

時(shí)間的測(cè)量是否精確這對(duì)于系統(tǒng)而言是很重要的一部分，也是值得深究的一個(gè)問題。要計(jì)算出時(shí)間就需要先對(duì)距離進(jìn)行計(jì)算，本文討論了兩種計(jì)算距離的方法。脈沖回波法與相位差法這兩者在處理回波方面有不同的方式，相位差計(jì)算距離的原理是首先超聲波的接收端接收到經(jīng)過調(diào)制后的回波信號(hào)，然后將信號(hào)放入到放大器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換生成的信號(hào)是和相位的信號(hào)幾乎是一模一樣的，然后將這個(gè)產(chǎn)生的電信號(hào)的電壓與驅(qū)動(dòng)電壓兩者進(jìn)行相互的比較，從而得出電壓的相位差，接著就根據(jù)這個(gè)相位差能夠進(jìn)一步地求出需要的距離。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)得的距離精確度很高，缺點(diǎn)是求出的解存在著不確定的因素。所以相比較于脈沖回波的方法采用的比較多。本文的距離測(cè)量用的就是這個(gè)方法。

3　超聲測(cè)距系統(tǒng)的總體方案

本論文中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　超聲波系統(tǒng)的硬件電路圖

通常情況下選擇的超聲探頭的頻率是40KHz，當(dāng)要用到的頻率要求很高的情況下只能定做了，本文中的超聲波測(cè)距選擇的超聲波傳感器的頻率是40KHz，傳感器的特性參數(shù)如表1所示。

表1　傳感器特性參數(shù)

4　硬件設(shè)計(jì)

4.1發(fā)射電路

發(fā)射電路使用到調(diào)諧式與非調(diào)諧式，通常情況下調(diào)諧式組成元件有線圈，而其中的頻率的決定因素有電容和電感。相比于調(diào)諧，非調(diào)諧的元件中不包含調(diào)諧的器件，而且超聲的頻率的決定因素是跟晶片中的相關(guān)參數(shù)有關(guān)系的。電路中的傳感器的頻率選擇的是40KHz，從而可以發(fā)揮特性到最佳。發(fā)射的電壓盡量取得最大值，由于發(fā)射電壓和發(fā)射的頻率是成正比的，另外發(fā)射電壓增加，回波的頻率也會(huì)增加。發(fā)射電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相比較于接收電路而言要簡(jiǎn)潔。其中發(fā)射傳感器中的電壓是有一定值的限制的，這個(gè)值的最大值取值是在滿足傳感器的內(nèi)部不會(huì)被損壞的情況下決定的。發(fā)射電路中的發(fā)射強(qiáng)度與電阻有關(guān)系，增加電阻，相對(duì)地發(fā)射強(qiáng)度也會(huì)增大，而且分辨率會(huì)降低。

發(fā)射電路實(shí)現(xiàn)的作用是增加發(fā)射探頭處的電壓值以及增高電路中的功率。本文中的發(fā)射電路的脈沖信號(hào)是由單片機(jī)發(fā)出的，脈沖信號(hào)很穩(wěn)定發(fā)射電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　發(fā)射電路

超聲測(cè)距的系統(tǒng)中的組成部分主要有單片機(jī)發(fā)射電路，接收電路以及數(shù)碼管等。本文的主控制器單片機(jī)的型號(hào)選擇的是AT89S52。

4.2接收電路

接收電路的組成部分主要包括了帶通的濾波電路，前置放大電路以及積分器和自增益電路。接收電路的最前端放置的是放大電路。而且信噪比也高，同時(shí)動(dòng)態(tài)變化的范圍可以是100dB以上。屏蔽盒中放著放大器，而且換能器也放在旁邊，另外前置的放大器中還包括了反向的二極管以及隔離所需的電阻。

目的是阻止脈沖比較大的信號(hào)發(fā)送到放大極。在回波接收的這個(gè)過程中，當(dāng)超聲波發(fā)送到表面的時(shí)候，回波信號(hào)反射回來的會(huì)比較微弱，而且電壓也比較小。

4.3檢測(cè)電路

當(dāng)信號(hào)進(jìn)過放大濾波這些操作后下一步就是檢測(cè)信號(hào)，檢測(cè)的目的是將接收到的信號(hào)從出發(fā)到接收的這個(gè)過程所需要的時(shí)間確認(rèn)下來，這個(gè)時(shí)間的確定可以說是一個(gè)很難把握的，由于這個(gè)時(shí)間跟系統(tǒng)中的儀器的質(zhì)量有關(guān)系，與儀器的測(cè)量是否精確有關(guān)另外電路的檢測(cè)對(duì)系統(tǒng)的工作也是有著很大的影響。在檢測(cè)電路中信號(hào)接收時(shí)要保證一定的精確度，這是十分重要的，一般情況下需要把具有固定值的電平和輸入的信號(hào)做一個(gè)對(duì)比分析，上升和下降沿的觸發(fā)的生成通過電平的輸出來決定，最終形成數(shù)字脈沖，從而將外中斷的引腳觸發(fā)。

5　軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)硬件部分的功能差不多實(shí)現(xiàn)后，就需要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，其中的軟件設(shè)計(jì)的目的是為了處理數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。軟件設(shè)計(jì)主要完成的功能包括：

①對(duì)信號(hào)的發(fā)射進(jìn)行控制，在軟件設(shè)計(jì)的過程中要確?？梢暂敵雒}沖串；

②對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)處理；

③顯示輸出是將測(cè)得的距離通過LED進(jìn)行顯示。

5.1主程序結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)中采用的編程語言是匯編，軟件設(shè)計(jì)主要包括了主程序，子程序以及中斷服務(wù)的子程序等等。具體的流程圖如下所示。首先是中定時(shí)器打開之前需要對(duì)脈沖串的子程序進(jìn)行初始化，接著啟動(dòng)中斷服務(wù)。在初始化中重要的部分是關(guān)于定時(shí)器是如何工作的和初始化的初始值該如何設(shè)置。下面圖3-5為程序流程圖。

圖3　主程序流程圖

圖4　外部中斷子程序流程圖

圖5　定時(shí)中斷子程序流程圖

6　改進(jìn)與建議

①考慮到探頭的功率畢竟是具有一定的限制性的，所以適用的范圍是室內(nèi)，范圍比較小，所以需要 把功率換成大些的，這樣的話測(cè)得的距離的范圍就會(huì)大大地增大，此外超聲傳感器的中心頻率也需要進(jìn)行調(diào)整更換，單片機(jī)的程序需要進(jìn)一步地優(yōu)化，以便可以測(cè)得更遠(yuǎn)；

②考慮到在超聲波進(jìn)行傳輸?shù)恼麄€(gè)過程中，由于一些空氣的流動(dòng)以及灰塵的影響從而很容易會(huì)影響到傳播距離的測(cè)量，可以將探頭的功率進(jìn)行改變也可以將被測(cè)的表面的一些條件進(jìn)行改進(jìn)，最后將集成的芯片也應(yīng)用到里面去，從而進(jìn)行改進(jìn)。

7　結(jié)語

本文主要是圍繞著單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行論述，其中的涉及到的有硬件方面的設(shè)計(jì)以及軟件方面的設(shè)計(jì)。單片機(jī)作為主控制器。本文主要介紹了超聲測(cè)距系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理，通過軟件進(jìn)行控制，從而增強(qiáng)測(cè)量過程中的精確度。

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