基于單片機的超聲波測距儀LED顯示電路的設計

3.2.3 超聲波發(fā)射電路

壓電超聲波轉換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。內部結構上圖所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當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(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，這時(shí)它就是一超聲波發(fā)生器;如沒(méi)加電壓，當共振板接受到超聲波時(shí)，將壓迫壓電振蕩器作振動(dòng)，將機械能轉換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接受轉換器。超聲波發(fā)射轉換器與接受轉換器其結構稍有不同。

壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當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(shí)，壓電晶片會(huì )發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問(wèn)未外加電壓，當共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機械能轉換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使用時(shí)應分清器件上的標志。本設計中發(fā)射器電路采用集成電路模塊不需考慮這些問(wèn)題，主要是采用4069反相器在換能器兩端提供脈沖信號。其原理圖如圖3所示。

3.2.4 超聲波檢測接收電路

集成電路CX20106A是一款紅外線(xiàn)檢波接收的專(zhuān)用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(如圖2-3)。實(shí)驗證明用CX20106A接收超聲波(無(wú)信號時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容CS的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。此部分電路在集成芯片上。

3.2.5 LED顯示電路

根據設計要求并綜合各方面因素，可以采用AT89S51單片機作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現LED數字顯示，超聲波驅動(dòng)信號用單片機的定時(shí)器完成，顯示電路如下圖5

3.3 系統軟件的設計

本設計基于匯編語(yǔ)言編程，其軟件設計思路如下：

3.3.1超聲波測距儀的算法設計

超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號，當這個(gè)超聲波遇到被測物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計算公式為：

d=s/2=(c×t)/2 （1）

其中，d為被測物與測距儀的距離，s為聲波的來(lái)回的路程，c為聲速，t為聲波來(lái)回所用的時(shí)間。 在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機內部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計數功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計算距離。其部分源程序如下：

WORK: PUSH ACC

PUSH PSW

PUSH B

MOV PSW,#18H

MOV R3,45H

MOV R2,44H

MOV R1,00D

MOV R0,17D

LCALL MUL2BY2

MOV R3,#03H

MOV R2,0E8H

LCALL DIV4BY2

LCALL DIV4BY2

MOV 40H,R4

MOV A,40H

JNZ JJ0

MOV 40H,#0AH

JJ0: MOV A, R0

MOV R4, A

MOV A, R1

MOV R5, A

MOV R3, 00D

MOV R2, #100D

LCALL DIV4BY2

MOV 41H,R4

MOV A,41H

JNZ JJ1

MOV A,40H

SUBB A,#0AH

JNZ JJ1

MOV 41H,#0AH

JJ1: MOV A,R0

MOV R4,A

MOV A,R1

MOV R5,A

MOV R3,#00D

MOV R2,10D

LCALL DIV4BY2

MOV 42H,R4

JNZ JJ2

MOV A,41H

SUBB A,#0AH

JNZ JJ2

MOV 42H,#0AH

JJ2: MOV 43H,R0

POP B

POP PSW

POP ACC

RET

3.3.2 主程序流程圖

軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖3-1（a）（b） (c) 所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。

定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計算、結果的輸出等工作。

主程序首先是對系統環(huán)境初始化，設置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)計數器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P1清0。然后調用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約0.1 ms（這也就是超聲波測距儀會(huì )有一個(gè)最小可測距離的原因）后，才打開(kāi)外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12 MHz的晶 振，計數器每計一個(gè)數就是1μs，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數器T0中的數（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按式（2）計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設計時(shí)取20℃時(shí)的聲速為344 m/s則有：

d=(c×t)/2=172T0/10000cm (2)

其中，T0為計數器T0的計算值。

測出距離后結果將以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過(guò)程。為了有利于程序結構化和容易計算出距離。

3.3.3超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序

超聲波發(fā)生子程序的作用是通過(guò)P1.0端口發(fā)送2個(gè)左右超聲波脈沖信號（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12μs左右，同時(shí)把計數器T0打開(kāi)進(jìn)行計時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡(jiǎn)單，但要求程序運行準確，所以采用匯編語(yǔ)言編程。