基于聲納傳感器和C8051F040的測距系統設計

1 聲納傳感器及測距原理
SensComp 600系列聲納傳感器實(shí)物照片如圖1所示，它整合了6500測距模塊和600系列超聲波探頭，探頭中心頻率50 kHz，具有極好的接收靈敏度。觸發(fā)方式可選內部觸發(fā)(觸發(fā)頻率5 Hz)或外部觸發(fā)，I／O接口均兼容TTL邏輯電平，正常工作電壓范圍為6～24 VDC。與其他超聲波傳感器相比，其聲波強度的中部明顯大于旁瓣的強度，波束角度15°。

超聲波測距的原理是測出聲波從發(fā)射點(diǎn)至目標物體往返傳輸所需的時(shí)間，在一定環(huán)境下聲波的傳輸速率是不變的。根據式(1)的超聲波測距數學(xué)式可測算得到距離。

式(1)中：D為聲波發(fā)射點(diǎn)與目標物體的距離，(單位為m)；t為聲波往返發(fā)射點(diǎn)和目標物體的時(shí)間。式(2)中：c0為聲波，在0℃時(shí)，空氣中的傳播速度為331．4 m／s；T為絕對溫度。
SensComp 600系列聲納傳感器有兩個(gè)基本的操作模式：?jiǎn)位夭Ｊ胶投嗷夭Ｊ?。在單回波模式下。輸入引腳INIT電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)傳感器觸發(fā)發(fā)送超聲波，然后等待發(fā)送的聲波信號返回，最后返回的信號被放大，并且在輸出引腳ECHO輸出高電平。從引腳INIT變?yōu)楦唠娖降紼CHO跳變?yōu)楦唠娖降臅r(shí)間即為聲波從傳感器至障礙物往返所用的時(shí)間。若要重復測量只需按上述循環(huán)操作。多回波模式即一次觸發(fā)多次接收返回的聲波信號。在此模式下，當收到返回信號后，將輸入引腳BLNK輸入持續長(cháng)于0．44 ms的高電平即可將引腳ECHO變?yōu)榈碗娖?，接收到下一次回波信號時(shí)ECHO又將輸出高電平。SensComp 600系列超聲波傳感器應用于測距時(shí)采用單回波模式就能滿(mǎn)足要求。

2 系統硬件設計
該測量系統采用美國SliconLabrary公司單片機C8051F040作中央處理器。C8051Fxxx系列單片機是完全集成的混合信號系統級芯片，具有與8051兼容的微控制器內核，可與MCS-51指令集完全兼容。除了具有標準8052的數字外設部件之外，片內還集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件和其他數字外設及功能部件。C8051F040采用高速、流水線(xiàn)結構CIP-51內核(可達25 MIPS)，可以使用標準803x／805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，具有強大的功能。如100 kS／s的12位ADC、控制器局域網(wǎng)控制器(CAN)，6個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計數器／定時(shí)器陣列、溫度傳感器、可實(shí)現硬件的SPI，SMBus／I2C和兩個(gè)UART串行接口、64 KB可在系統編程的FLASH存儲器等。其片內JTAG調試電路允許使用安裝在最終應用系統上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式(不占用片內資源)、全速、在系統調試，該調試系統支持觀(guān)察和修改存儲器和寄存器，支持斷點(diǎn)、觀(guān)察點(diǎn)、單步及運行和停機命令。在使用JTAG調試時(shí)，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。因此選用此單片機完全能滿(mǎn)足設計要求。設計中運用C8051F040的定時(shí)器捕捉功能檢測聲波傳輸時(shí)間，ADC采集片內溫度傳感器對聲速校正，并有鍵盤(pán)和LCD人機作操作界面，FLASH存儲相關(guān)設置，同時(shí)測量數據通過(guò)RS 232和控制器局域網(wǎng)(CAN)兩種總線(xiàn)輸出。硬件結構圖如圖2所示。C8051F040具有6個(gè)定時(shí)器捕捉模塊，此硬件設計還能擴展至少5個(gè)超聲波傳感器，以實(shí)現更多功能。

3 系統軟件設計
系統的軟件由主程序、定時(shí)器2中斷程序以及PCA捕捉中斷程序組成。主程序主要完成系統的初始化，并從FLASH讀入以前的設置參數。圖3(a)為定時(shí)器2中斷程序流程圖和PCA捕捉中斷程序流程圖。定時(shí)器2中斷頻率為10 Hz，中斷中讀取按鍵值、CAN總線(xiàn)輸入值和串口UART0輸入值，若這些值與之前的設置不同，則將寫(xiě)入FLASH中保存。之后程序根據當前的超聲波傳輸時(shí)間和環(huán)境溫度計算出此次測量距離，并發(fā)送至CAN總線(xiàn)和UART0，且在LCD上顯示。PCA捕捉中斷程序，流程圖如圖3(b)所示，主要任務(wù)是完成超聲波傳輸時(shí)間檢測，PCA設置為上升沿捕捉模式。在超聲波傳感器引腳INIT上升沿起，PCA開(kāi)始計時(shí)，當PCA的引腳跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，即傳感器ECHO變?yōu)楦唠娖綍r(shí)計時(shí)結束。若超過(guò)一定時(shí)間仍未收到回波，則放棄本次測量，重新觸發(fā)下次測量。