基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的研究與設(shè)計

    在日常生產(chǎn)生活中，很多場合如汽車倒車、機器人避障、工業(yè)測井、水庫液位測量等需要自動進行非接觸測距。超聲波是指頻率大于20 kHz的在彈性介質(zhì)中產(chǎn)生的機械震蕩波，其具有指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離相對較遠等特點，因此常被用于非接觸測距。由于超聲波對光線、色彩和電磁場不敏感，因此超聲波測距對環(huán)境有較好的適應(yīng)能力，此外超聲波測量在實時、精度、價格也能得到很好的折衷。
    為此，文中嘗試以單片機AT89S52為核心，利用一對40 kHz壓電超聲傳感器設(shè)計一款體積較小、價格低廉、精度較高、具有溫度補償、實時LCD顯示和報警的超聲波測距儀。

1 超聲波測距原理
    超聲波傳感器分機械方式和電氣方式兩類，它實際上是一種換能器，在發(fā)射端它把電能或機械能轉(zhuǎn)換成聲能，接收端則反之。本次設(shè)計超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電式超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，就成為超聲波接收器。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個數(shù)越多，能量越大，所能測的距離也越遠。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標志。
    超聲波測距的方法有多種：如往返時間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法。本設(shè)計采用往返時間檢測法測距。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達測量目標或障礙物后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時間即往返時間，往返時間與超聲波傳播的路程的遠近有關(guān)。測試傳輸時間可以得出距離。
    假定s為被測物體到測距儀之間的距離，測得的時間為t／s，超聲波傳播速度為v／m·s－1表示，則有關(guān)系式(1)
    s=vt／2 (1)
    在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按式(2)對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。
    v=331．4+0．607T (2)
式中，T為實際溫度單位為℃，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為m／s。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
    本系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、回波信號接收、溫度測量、顯示和報警、電源等硬件電路部分以及相應(yīng)的軟件部分構(gòu)成。系統(tǒng)原理框圖，如圖1所示。

    整個系統(tǒng)由單片機AT89S52控制，超聲波傳感器采用收發(fā)分體式，分別是一支超聲波發(fā)射換能器TCT40－16T和一支超聲波接收換能器TCT40－16R。超聲波信號通過超聲波發(fā)射換能器發(fā)射至空氣中，遇被測物反射后回波被超聲波接收換能器接收。進行相關(guān)處理后，輸入單片機的INT0腳產(chǎn)生中斷，計算中間經(jīng)歷的時間，同時再根據(jù)具體的溫度計算相應(yīng)的聲速，根據(jù)式(2)就可得出相應(yīng)的距離用來顯示，當(dāng)然在一些場合也可根據(jù)需要，設(shè)置距離報警值。

3 硬件設(shè)計
3．1 超聲波發(fā)射部分
    超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器TCT40－16T能向外界發(fā)出40 kHz左右的方波脈沖信號。40 kHz左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機P1.0端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號，由于單片機端口輸出功率不夠，40 kHz方波脈沖信號分成兩路，送給一個由74HC04組成的推挽式電路進行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠，滿足測量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器TCT40－16T以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路，如圖2所示。圖中輸出端上拉電阻R31，R32，一方面可以提高反向器74HC04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。

3．2 超聲波接收部分
    上述TCT40－16T發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會返回，超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器TCT40－16R進行轉(zhuǎn)換變成電信號，并對此電信號進行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20106，得到一個負脈沖送給單片機的P3.2(INT0)引腳，以產(chǎn)生一個中斷。接收部分的電路，如圖3所示。

    可以看到，集成芯片CX20106在接收部分電路中起了很大的作用。CX20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點，由于紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz比較接近，而且CX20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0五可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為30～60 kHz。故本次設(shè)計用它來做接收電路。CX20106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。工作過程如下：接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進行頻率選擇，濾除干擾信號，再經(jīng)整形，送給輸出端7腳。當(dāng)接收到與CX20106濾波器中心頻率相符的回波信號時，其輸出端7腳就輸出低電平，而輸出端7腳直接接到．AT89S52的INT0引腳上，以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差，可調(diào)節(jié)芯片引腳5的外接電阻R42，將濾波器的中心頻率設(shè)置在40 kHz，就可達到理想的效果。
3．3 其他主要電路
    (1)溫度測量部分。
    由于聲音的速度在不同的溫度下有所不同，為提高系統(tǒng)的精度，采用了溫度補償功能。這里采用的主要元器件是是美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其具有精度高、智能化、體積小、線路簡單等特點。將DS18B20數(shù)據(jù)線與單片機的P1.1口相連，就可以實現(xiàn)溫度測量，如圖4所示。

    (2)LCD顯示部分。
    本設(shè)計顯示部分采用字符型TC1602液晶顯示所測距離值。TC1602顯示的容量為2行16個字。液晶顯示屏有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧、使用方便等諸多優(yōu)點，與數(shù)碼管相比，顯得更專業(yè)、美觀。使用時，可將P0與LCD的數(shù)據(jù)線相連，P2口與LCD的控制線相連，如圖5所示。

    其中，TC1602第4腳RS為寄存器選擇，第5腳RW為讀寫信號線，第6腳E為使能端。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。這里要注意的是，為了布線方便，單片機端的D0～D7是接到LCD／602的D1～D0，正好相反，因此在編寫軟件時需要做處理，使讀取正確。
    (3)報警部分。
    采用一個蜂鳴器，由P1.2輸出一定頻率的信號，在連接到蜂鳴器之前，經(jīng)過一個三極管9 012的放大。報警部分的連線，如圖6所示。

    (4)電源電路：220 V經(jīng)9 V變壓器降壓后，再經(jīng)D1~D4橋式整流和7 805穩(wěn)壓后給電路各部分供電。
    (5)晶振電路：采用12 MHz的晶振。

4 軟件
    系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，主要包括主程序設(shè)計、T1中斷服務(wù)子程序、INT0外部中斷服務(wù)子程序、測溫子程序、距離計算子程序、顯示子程序、延時子程序和報警子程序設(shè)計等。
    系統(tǒng)軟件編制時應(yīng)考慮相關(guān)硬件的連線，同時還要進行存儲空間、寄存器以及定時器和外部中斷引腳的分配和使用。本設(shè)計中P1.0引腳連接到7 HC04推挽放大電路再連接到超聲波發(fā)射傳感器，P1.0引腳輸出的將是軟件方式產(chǎn)生的40 kHz方波，而P3.2(INT0)則被用來接收回波。定時器T1，T0均工作在工作方式1，為16位計數(shù)，T1定時器被用來開啟一次測距過程以它的溢出為標志開始一個發(fā)射測量循環(huán)，T0定時器是用來計算脈沖往返時間，它們的初值均設(shè)為0。
    系統(tǒng)初始化后就啟動定時器T1從0開始計數(shù)，此時主程序進入等待，當(dāng)?shù)竭_65 ms時T1溢出進入T1中斷服務(wù)子程序；在T1中斷服務(wù)子程序中將啟動一次新的超聲波發(fā)射，此時將在P1.0引腳上開始產(chǎn)生40 kHz的方波，同時開啟定時器T0計時，為了避免直射波的繞射，需要延遲1 ms后再開INT0中斷允許；INT0中斷允許打開后，若此時P3.2(INT0)引腳出現(xiàn)低電平則代表收到回波信號，將提出中斷請求進入INT0中斷服務(wù)子程序，在INT0中斷服務(wù)子程序中將停止定時器T0計時，讀取定時器T0時間值到相應(yīng)的存儲區(qū)，同時設(shè)置接收成功標志；主程序一旦檢測到接收成功標志，將調(diào)用測溫子程序，采集超聲波測距時的環(huán)境溫度，并換算出準確的聲速，存儲到RAM存儲單元中；單片機再調(diào)用距離計算子程序進行計算，計算出傳感器到目標物體之間的距離；此后主程序調(diào)用顯示子程序進行顯示；若超過設(shè)定的最小報警距離還將啟動揚聲器報警；當(dāng)一次發(fā)射、接收、顯示的過程完成后，系統(tǒng)將延遲100 ms重新讓T1置初值，再次啟動T1以溢出，進入下一次測距。如果由于障礙物過遠，超出量程，以致在T0溢出時尚未接收到回波，則顯示“ERROR”重新回到主流程進入新一輪測試。主程序和定時器T1、外部中斷INT0中斷服務(wù)子程序的框圖分別，如圖7～圖9所示。

    此外，還有幾點需要說明的是：
    (1)定時器T1之所以是65 ms溢出是因為它是16位定時／計數(shù)器(65 535)。在使用12MHz的晶振時，由于周期T=1/f=1／[(12×106)／12]=1μs，則一個機器周期是1μs，計數(shù)器每65 ms計數(shù)器溢出。
    (2)本設(shè)計中40 kHz方波的產(chǎn)生采用軟件方式實現(xiàn)：控制P1.0口輸出12μs的高電平，再輸出13μs的低電平，這樣得到一個周期的40 kHz的脈沖，再循環(huán)發(fā)送8次。
    (3)在CPU停止發(fā)送脈沖群后，由于電阻尼，換能器不能立即停止發(fā)送超聲波，在一段時間內(nèi)仍然會發(fā)送，故這段時間內(nèi)不可立即開啟INT0接收回波，要等待一段后以避免發(fā)送端的部分直射波未經(jīng)被測物就直接繞射到接收端，這段被稱為“虛假反射波”。從發(fā)射開始一直到“虛假反射波”結(jié)束這段時間，不開放INT0中斷申請，可有效躲避干擾，但也會造成測試的“盲區(qū)”。本次設(shè)為1 ms，假定溫度為20℃，則測量盲區(qū)為s=1×10-3×344／2≈17．2 cm。
    (4)最大測試距離將取決于：兩次脈沖群發(fā)送之間的最小時間間隔和脈沖的能量。一般來說，發(fā)射端脈沖個數(shù)越多，能量越大，所能測的距離也越遠。但也不是無限制的，本次讀取定時器T0的計數(shù)值，最大能測試的距離是T0尚沒溢出，故在溫度20℃下，最大測試距離為s=vt／2=65 535×344／(2×106)=11．272 m。在一些周期性發(fā)射超聲波設(shè)備中，如果要測試的最大距離是10 m，則兩次脈沖群之間的最小時間為t=2×s/v=2×10／344≈60：ms 。

5 結(jié)束語
    為了驗證系統(tǒng)的測量精度，在實驗室進行了實地測量。利用本系統(tǒng)對20～1 000 cm范圍進行了多次測試，經(jīng)補償后最大誤差達2 cm，線性度、穩(wěn)定性和重復(fù)性都比較好。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、實時LCD顯示和報警、帶溫度補償、抗干擾性能好等優(yōu)點。系統(tǒng)的誤差主要來自于發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波是呈喇叭狀擴散傳播、被測物的表面不光滑且不一定垂直于兩探頭的軸線而導(dǎo)致所反射回來的波也許是從不同點獲得，此外電子元器件自身的時延、干擾等也造成一定影響?？梢愿鶕?jù)具體場合，選擇合適功率的探頭，以及調(diào)整程序中脈沖的頻率、寬度和個數(shù)等提高精度或測量距離，擴大系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。