摘要:本文設計并實現了一個以MCS-51單片機為核心的超聲波測距模塊。該模塊由超聲波發(fā)射單元、超聲波接收單元、溫度測量單元、顯示單元和ISP下載單元等組成,由單片機產生超聲波的發(fā)射信號并對其傳播時間進行測量,依據超聲波在空氣中的傳播特性,換算出距離數據,從而實現測量距離的目的。設計中采用LM386作為超聲波的發(fā)射驅動,采用集成芯片CX20106作為超聲波接收單元,結構簡潔,集成度高。通過實驗表明,該模塊性能可靠,能較準確地測出與障礙物之間的距離,達到了設計要求。
關鍵詞:超聲波測距;MCS-51單片機;LM386;CX20106
0 引言
在多數項目研發(fā)中,距離測量顯得越來越重要,常用的測距方式主要有雷達測距、紅外測距、激光測距和超聲測距等4種。雷達測距對天氣的依賴性較強,且成本較高;紅外測距測量范圍窄;激光測距精度高、抗干擾力強、但成本高,且光學系統(tǒng)需細心維護;超聲波測距指向性強、傳輸距離遠、受環(huán)境影響小、傳播時間容易檢測,而且超聲波傳感器結構簡單、性能可靠、成本低、易于集成,因此本文采用超聲波方式進行距離測量。
1 超聲波測距原理
超聲波發(fā)生器內部有兩個壓電晶片和一個共振板,當兩極外加脈沖信號的頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時,壓電晶片將發(fā)生共振,并帶動共振板振動,從而產生超聲波;同理,當共振板接收到超聲波時,將壓迫壓電晶片產生振動,將機械能轉換為電信號。
測距原理如圖1所示。
被測距離。式中:s為超聲波傳播距離;h為發(fā)射探頭與接收探頭之間的距離。
由于s遠大于h,因此可近似認為d=s,則d=s=ct/2,t為發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔,c為超聲波在空氣中的傳播速度。
在空氣中,常溫下超聲波的傳播速度是334m/s,但其傳播速度c易受空氣中溫度的影響,聲速與溫度關系如表1所示,由此可修正超聲波傳播速度
可見,只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時間差t以及環(huán)境溫度T,就能得到較為精確的距離。
2 方案設計
2.1 電路設計
設計的超聲測距模塊由超聲波發(fā)射單元、超聲波接收單元、溫度測量單元、液晶顯示單元和ISP下載單元等部分構成,系統(tǒng)框圖如圖2所示。
2.1.1 單片機單元
單片機是整個系統(tǒng)的控制核心,本文選用AT89S51,測量時,由單片機輸出40 kHz左右的脈沖信號,驅動超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波脈沖,同時啟動單片機計時器,開始計時。超聲波達到目標時回傳,經空氣傳播被超聲波接收器接收,此時計時停止,經計算可得超聲波從發(fā)射到接收的時間間隔t,從而得到距離數據。
2.1.2 超聲波發(fā)射單元
考慮到單片機端口驅動能力有限,本文采用LM386對輸出信號進行功率放大,LM386多用于音頻放大,也可用于超聲波發(fā)射。如圖3所示,LM386第1腳和第8腳之間串接的E1、R1,可使電路獲得較大的增益,T0為單片機輸入的脈沖信號,經功率放大后由第5腳輸出,驅動探頭發(fā)射超聲波。
2.1.3 超聲波接收單元
為了順利接收回波信號,本文采用索尼公司生產的集成芯片CX20106,如圖4所示,CX20106是一款紅外線檢波接收的專用芯片,由于紅外遙控常用的載波頻率38kHz與超聲波頻率40kHz比較接近,而且CX20106內部設置的濾波器中心頻率f0可由其5腳外接電阻調節(jié),范圍為30~60 kHz,因此本文采用它來做接收電路。
回波信號先經過CX20106內部的前置放大器和限幅放大器,將信號調整到適當的幅值,由濾波器進行頻率選擇,濾除干擾信號,再經整形,送給輸出端7腳,7腳與單片機INT0連接,當接收到與濾波器中心頻率相符的回波信號時,輸出端7腳即輸出低電平,觸發(fā)中斷。
2.1.4 溫度測量、液晶顯示與ISP單元
溫度測量單元選用1Wire總線器件DS18B20作為傳感器,實現對溫度數據的采集,液晶模塊實現測量數據的顯示,ISP單元實現程序代碼的在系統(tǒng)下載,電路圖從略。
2.2 軟件設計
軟件部分主要包括主程序和中斷服務子程序,如圖5所示。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、溫度讀取和超聲波發(fā)射;中斷服務子程序主要完成計數值的讀取、距離計算、輸出顯示等工作。
3 實驗結果及分析
表2是利用本文的測距模塊實際測量的結果。由表中數據可見,在30cm范圍內誤差較大,這是由于超聲波信號的發(fā)射必須有一個上升時間,如果距離太近單片機難以及時處理回波信號,無法正確檢測回波到達時間,因而測量誤差明顯增加;而距離在30em以上時,由于引入溫度補償單元,因而誤差相對較小。
4 結束語
本文設計的超聲波測距模塊,采用了集成元件LM386、CX20106作為發(fā)射和接收的核心器件,并引入了DSl8B20作為溫度補償單元,因此結構簡單、集成度較高、可靠性較強,通過實驗驗證,測量結果與實際距離相近,基本滿足測量要求。