超聲波測距系統方案研究與設計

　　(3)報警部分。

　　采用一個(gè)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(guò)一個(gè)三極管9 012的放大。報警部分的連線(xiàn)，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

　　系統軟件設計采用模塊化設計，主要包括主程序設計、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(shí)子程序和報警子程序設計等。

　　系統軟件編制時(shí)應考慮相關(guān)硬件的連線(xiàn)，同時(shí)還要進(jìn)行存儲空間、寄存器以及定時(shí)器和外部中斷引腳的分配和使用。本設計中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(lái)接收回波。定時(shí)器T1，T0均工作在工作方式1，為16位計數，T1定時(shí)器被用來(lái)開(kāi)啟一次測距過(guò)程以它的溢出為標志開(kāi)始一個(gè)發(fā)射測量循環(huán)，T0定時(shí)器是用來(lái)計算脈沖往返時(shí)間，它們的初值均設為0。

　　系統初始化后就啟動(dòng)定時(shí)器T1從0開(kāi)始計數，此時(shí)主程序進(jìn)入等待，當到達65 ms時(shí)T1溢出進(jìn)入T1中斷服務(wù)子程序；在T1中斷服務(wù)子程序中將啟動(dòng)一次新的超聲波發(fā)射，此時(shí)將在P1.0引腳上開(kāi)始產(chǎn)生40 kHz的方波，同時(shí)開(kāi)啟定時(shí)器T0計時(shí)，為了避免直射波的繞射，需要延遲1 ms后再開(kāi)INT0中斷允許；INT0中斷允許打開(kāi)后，若此時(shí)P3.2(INT0)引腳出現低電平則代表收到回波信號，將提出中斷請求進(jìn)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(shí)器T0計時(shí)，讀取定時(shí)器T0時(shí)間值到相應的存儲區，同時(shí)設置接收成功標志；主程序一旦檢測到接收成功標志，將調用測溫子程序，采集超聲波測距時(shí)的環(huán)境溫度，并換算出準確的聲速，存儲到RAM存儲單元中；單片機再調用距離計算子程序進(jìn)行計算，計算出傳感器到目標物體之間的距離；此后主程序調用顯示子程序進(jìn)行顯示；若超過(guò)設定的最小報警距離還將啟動(dòng)揚聲器報警；當一次發(fā)射、接收、顯示的過(guò)程完成后，系統將延遲100 ms重新讓T1置初值，再次啟動(dòng)T1以溢出，進(jìn)入下一次測距。如果由于障礙物過(guò)遠，超出量程，以致在T0溢出時(shí)尚未接收到回波，則顯示“ERROR”重新回到主流程進(jìn)入新一輪測試。主程序和定時(shí)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(diǎn)需要說(shuō)明的是：

　　(1)定時(shí)器T1之所以是65 ms溢出是因為它是16位定時(shí)／計數器(65 535)。在使用12MHz的晶振時(shí)，由于周期T=1/f=1／[(12×106)／12]=1μs，則一個(gè)機器周期是1μs，計數器每65 ms計數器溢出。

　　(2)本設計中40 kHz方波的產(chǎn)生采用軟件方式實(shí)現：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(gè)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(shí)間內仍然會(huì )發(fā)送，故這段時(shí)間內不可立即開(kāi)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(chēng)為“虛假反射波”。從發(fā)射開(kāi)始一直到“虛假反射波”結束這段時(shí)間，不開(kāi)放INT0中斷申請，可有效躲避干擾，但也會(huì )造成測試的“盲區”。本次設為1 ms，假定溫度為20℃，則測量盲區為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(shí)間間隔和脈沖的能量。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)射端脈沖個(gè)數越多，能量越大，所能測的距離也越遠。但也不是無(wú)限制的，本次讀取定時(shí)器T0的計數值，最大能測試的距離是T0尚沒(méi)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(shí)間為t=2×s/v=2×10／344≈60：ms 。

　　5 結束語(yǔ)

　　為了驗證系統的測量精度，在實(shí)驗室進(jìn)行了實(shí)地測量。利用本系統對20～1 000 cm范圍進(jìn)行了多次測試，經(jīng)補償后最大誤差達2 cm，線(xiàn)性度、穩定性和重復性都比較好。系統具有結構簡(jiǎn)單、體積小、實(shí)時(shí)LCD顯示和報警、帶溫度補償、抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)。系統的誤差主要來(lái)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(xiàn)而導致所反射回來(lái)的波也許是從不同點(diǎn)獲得，此外電子元器件自身的時(shí)延、干擾等也造成一定影響?？梢愿鶕唧w場(chǎng)合，選擇合適功率的探頭，以及調整程序中脈沖的頻率、寬度和個(gè)數等提高精度或測量距離，擴大系統的應用范圍。