基于A(yíng)T89C2051的超聲波測距系統

摘要：介紹了利用超聲波傳感器實(shí)現的非接觸式距離檢測系統。該系統可以用于汽車(chē)倒車(chē)時(shí)的報警、液位和物位的非接觸式測量，介紹了超聲波傳感器原理及系統各單元的設計。系統中采用了AT89C2051型單片機作為主控制器。把一種直流電機PWM調速芯片應用到此系統中，使得控制方法簡(jiǎn)便，應用范圍增強，同時(shí)可以利用單片機設定距離值和輸出控制信號。最終距離用串行方法在數碼管上顯示出來(lái)，可以直觀(guān)地查看距離值，以實(shí)現測距、顯示、輸出控制信號的功能。

非接觸式的距離測量在工業(yè)中有廣泛的應用機器人視覺(jué)系統中對距離的測量，汽車(chē)倒車(chē)雷達系統及液位、物位的檢測系統等。有鑒于此，設計了基于超聲波傳感器的測距控制系統，以實(shí)現距離的測量和顯示，并能輸出控制信號及實(shí)現和上位機的通信。與以往類(lèi)似系統不同的是：本設計采用了一種直流電機PWM調速芯片作為超聲波發(fā)射驅動(dòng)電路。

其優(yōu)點(diǎn)是：電路簡(jiǎn)單，易于控制，而且對于不同電壓峰值要求的超聲波傳感器，可以改變其供電電壓值。

顯示部分采用一種串行通訊芯片驅動(dòng)數碼管，以節約單片機IO口的使用數量和提高數碼量，因此，系統應用靈活，實(shí)用性強，其模塊化設計可嵌入到不同的系統中。

1 超聲波測距傳感器

超聲波傳感器是一種換能器，它把電能或機械能轉換成聲能。本設計采用壓電式超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。該傳感器有2個(gè)壓電晶片和1個(gè)共振板，當其兩極外加脈沖信號，且頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì )發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波。如果兩極問(wèn)不加電壓，當共振板接收到超聲波時(shí)，聲波將迫使壓電晶片振動(dòng)，使機械能轉換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器。

每個(gè)傳感器的中心頻率都存在一定的誤差，在40 kHz左右波動(dòng)。而且超聲波傳感器發(fā)射波束時(shí)存在發(fā)散角問(wèn)題，一般發(fā)散角都比較大，從而導致了方向性較差。同時(shí)，隨著(zhù)傳播距離的增大，在不同的發(fā)散角上信號衰減的程度也有變化。它在空氣中的發(fā)散角及耗散性如圖1所示。

圖1 發(fā)散角與耗散性

采用反射式超聲波測距的原理是：當單片機控制超聲波傳感器向某一方向發(fā)射波束的同時(shí)，單片機內部開(kāi)始計時(shí)。在傳播過(guò)程中，超聲波遇障礙物后反射回波。傳感器接收到第一個(gè)反射波后，停止計時(shí)。由于超聲波在空氣中的傳播速度是340 m/s,根據計時(shí)時(shí)間及公式S=340 t/2,即可得到發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S.

2 系統總體方案設計

超聲波測距系統包括4個(gè)部分，即①發(fā)射電路中振蕩器驅動(dòng)控制電路；②接收電路中模擬放大、濾波、信號調制電路；③數碼管顯示電路；④單片機系統及其串口輸出、控制信號輸出、按鍵輸入部分。其方框圖如圖2所示。

圖2 系統原理框圖