基于單片機的超聲波測距報警系統設計

　　引言

　　科學(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數稱(chēng)為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們人類(lèi)耳朵能聽(tīng)到的聲波頻率為20～20000Hz。當聲波的振動(dòng)頻率大于20KHz或小于20Hz時(shí)，我們便聽(tīng)不見(jiàn)了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱(chēng)為“超聲波”。

　　1.超聲波測距原理

　　超聲波是指頻率高于20KHz 的機械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波，完成這種功能的裝置稱(chēng)為超聲波傳感器。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，有的也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。根據超聲波的產(chǎn)生方式，超聲波傳感器可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是電氣式，如壓電式、磁致伸縮式和電動(dòng)式等;一類(lèi)是機械式，如加爾統笛、液哨等。目前常用的是壓電式超聲波傳感器。它利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化，即發(fā)射超聲波時(shí)，將電能轉換為超聲波發(fā)射出去;在收到回波時(shí)，將超聲振動(dòng)轉換成電信號。

　　超聲波測距的原理一般采用時(shí)間差法，即測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即：

　　式中，D—傳感器與障礙物之間的距離;c—聲波在介質(zhì)中的傳輸速度。

　　由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測物體不需直接接觸，故超聲波傳感器廣泛地應用于液體高度測量、汽車(chē)倒車(chē)等方面。為了提高測量精度，減小誤差，根據公式(1)可知，測距誤差由傳播速度誤差和傳播時(shí)間誤差引起。

　　當傳播速度準確時(shí)，傳播時(shí)間差值精度只要達到微秒級，就可保證測距誤差小于1mm。設計中，可采用12MHz 晶體作時(shí)鐘的基準，單片機定時(shí)器的計數精度可達1us，從而保證測量精度。

　　傳播速度受空氣密度的影響，空氣密度越高，傳播速度越快，而空氣密度與溫度有密切關(guān)系。在理想氣體中聲波的傳播速度c 為：

　　式中，γ—氣體定壓比熱容與定容比熱容之比;R—氣體常數;M—氣體分子量;T—絕對溫度。

　　若溫度變化不大，則可認為聲速基本不變，其值為340m/s。若測距精度要求較高，為減小溫度變化對聲速產(chǎn)生的影響，在設計中，應增加溫度傳感器來(lái)監測環(huán)境溫度，進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補償，近似公式為：

　　式中，c0—零度時(shí)的聲波速度332m/s; T—實(shí)際溫度(℃)。

　　2.測距報警系統設計

　　2.1 硬件設計

　　電路原理圖如圖1 所示。采用PIC16F73 單片機作為主控制器，實(shí)現對CX20106 紅外接收芯片(紅外常用的載波頻率38KHz 與測距超聲波頻率40KHz 較為接近) 和TCT40 系列超聲波轉換模塊的控制。單片機通過(guò)端口RB1 控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停地檢測中斷端口RB0/INT，當端口RB0/INT 的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，系統認為超聲波已返回。計數器所計數據即為超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算可得到傳感器與障礙物之間的距離。超聲信號的驅動(dòng)由單片機定時(shí)器完成，LED 數字顯示采用動(dòng)靜態(tài)驅動(dòng)相結合的方法實(shí)現，報警模塊采用簡(jiǎn)單的聲光報警電路。

　　圖1 測距報警系統電路原理圖

　　系統利用單片機的定時(shí)器功能產(chǎn)生40KHz 脈沖信號， 并通過(guò)端口RB1 輸出到超聲波發(fā)射部分。超聲波發(fā)射電路中， 六反相緩沖器CD4049 包括6個(gè)非門(mén)，現僅使用3 個(gè)，為防止干擾或被靜電擊穿導致整個(gè)CD4049 損壞，把未使用的3 個(gè)非門(mén)串起來(lái)做接地處理。當控制端輸出一系列固定頻率脈沖時(shí)，在超聲波發(fā)射器TCT40-1F 上就以固定的頻率加正電壓和反電壓，從而發(fā)出大功率的超聲波。這種以軟件方式產(chǎn)生的波形較用其他方式產(chǎn)生的效果更理想。

　　接收器采用與發(fā)射器相配對的TCT40-2S， 將超聲波調制脈沖轉換為40KHz 毫伏級電壓信號， 此信號需經(jīng)過(guò)放大處理才能觸發(fā)單片機中斷。芯片CX20106 內置前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路等。其中前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，可保證在超聲波傳感器接收較遠反射信號而輸出微弱電壓時(shí)，放大器有較高的增益，而在近距離輸入信號強時(shí)，放大器不會(huì )過(guò)載。調節芯片引腳5 的外接電阻R3 的值，可設置濾波器的中心頻率。當RB3=200K時(shí)，中心頻率為42KHz;當RB3=220K 時(shí)，中心頻率為38KHz。當接收到與濾波器中心頻率相符的信號時(shí)，引腳7 輸出一個(gè)低電平，從而觸發(fā)中斷。適當改變引腳2 的外接電容C4 的值，可改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。

　　3位LED數碼顯示采用顯示器動(dòng)靜態(tài)驅動(dòng)相結合的方法實(shí)現。采用單片機串行口通過(guò)74HC164 串入并出移位寄存器來(lái)輸出LED 的段驅動(dòng)信號，每個(gè)LED 的段信號都連在一起，并與74HC164 輸出的段驅動(dòng)信號連接。每個(gè)LED 的位驅動(dòng)信號由單片機的端口RB5~RB7 通過(guò)ULN2004 驅動(dòng)集成塊分別驅動(dòng)，LED 需用共陰數碼管。

　　報警模塊的功能是， 當傳感器與障礙物的距離不小于設定值時(shí)，綠色指示燈閃亮;反之，紅色指示燈閃亮，蜂鳴器發(fā)聲，提示人員注意安全距離。

　　2.2 軟件設計

　　軟件分為兩部分：主程序和中斷服務(wù)程序，流程圖如圖2 所示。主程序完成初始化工作及超聲波發(fā)射和接收控制。中斷服務(wù)程序包括定時(shí)中斷服務(wù)子程序和外部中斷服務(wù)子程序，分別完成超聲波的發(fā)射、距離計算及顯示報警等工作。

　　圖2 測距報警系統程序流程圖

　　3.測試結果

　　當距離大于2m 時(shí)，綠燈閃亮，顯示距離;當距離小于1m 時(shí)，紅燈閃亮，由端口RB2 驅動(dòng)蜂鳴器報警，顯示距離;當距離介于2m 和1m之間時(shí)，紅燈閃亮，顯示距離。為提高抗干擾能力，系統連續發(fā)射超聲波，測量三次，從中剔除最大最小值，取中間值計算出距離。

　　4.結語(yǔ)

　　此系統較好地實(shí)現了測距及報警功能，可用于汽車(chē)倒車(chē)、液位監控等場(chǎng)合，而且測量簡(jiǎn)單、經(jīng)濟、可靠。