基于STC89C52單片機的超聲波測距系統

超聲波有以下特點(diǎn)：速度小，傳播時(shí)間容易檢測;頻率高，反射性強，繞射性弱;傳播距離較遠;對光線(xiàn)和電磁場(chǎng)不敏感等。利用超聲波的這些優(yōu)點(diǎn)，結合微電子技術(shù)，超聲波測距技術(shù)應運而生。與激光測距、紅外線(xiàn)測距等相比，超聲波測距更適于電磁干擾強，煙霧等惡劣環(huán)境中。而且，超聲波測距技術(shù)設計方便、精度較高。超聲波測距技術(shù)的優(yōu)勢，使它有著(zhù)廣泛的應用，比如：建筑施工工地，液位測量，車(chē)輛導航等。傳統的超聲波測距系統采用的電路結構比較復雜，且當回波信號過(guò)于微弱時(shí)，測量誤差會(huì )加大。在系統接收電路中采用的增益控制部分能有效地解決這一難題。

超聲波測距的方法很多，有相位檢測法，幅值檢測法和渡越時(shí)間法等。系統采用的是渡越時(shí)間法TOF(Time of Flight)。原理如下：發(fā)射換能器在一端向某一方向發(fā)射超聲波，同時(shí)計時(shí)器開(kāi)始計時(shí)。超聲波在傳播過(guò)程中遇到障礙物被反射回來(lái)，接收換能器接收到反射回來(lái)的超聲波，此時(shí)結束計時(shí)。假設計時(shí)時(shí)間為t，超聲波的傳播速度為n，則從換能器到障礙物之間的距離d為超聲波往返距離的一半。其中超聲波傳播速度n與環(huán)境溫度T有關(guān)。系統使用單片機的定時(shí)器對超聲波的往返時(shí)間進(jìn)行準確計時(shí)。采用溫度傳感器測量溫度，并將所得溫度經(jīng)A/D轉換，變?yōu)閿底至亢?，送入控制器，由軟件對超聲波速度進(jìn)行溫度補償處理。

1 系統硬件設計

系統由單片機主控部分和超聲波測距部分組成，結構如圖1所示。主控部分包括單片機控制模塊、液晶顯示模塊、溫度補償模塊和串口通信模塊。超聲波測距部分包括超聲波發(fā)射模塊和接收模塊。

單片機控制模塊通過(guò)控制發(fā)射換能器發(fā)射超聲波到固定端面，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開(kāi)始計時(shí)。超聲波經(jīng)反射后由接收換能器接收，當單片機控制模塊接收到第一個(gè)反射波信號即停止計時(shí)。單片機根據計時(shí)器值計算出時(shí)間間隔t。溫度補償模塊采集數字溫度，根據公式(1)計算出超聲波速度v。

其中T是空氣介質(zhì)的溫度(℃)。在測量精度要求較高的場(chǎng)合，需要采用溫度補償的方式對超聲波的速度校正。

最后利用公式(2)計算出換能器到障礙物之間的距離d。

液晶顯示模塊顯示當前的溫度值T和計算所得的距離d。串口通信模塊可以通過(guò)串口在線(xiàn)下載單片機程序。

1.1 主控部分

1.1.1 單片機控制模塊

單片機控制模塊為系統的核心控制單元。單片機STC89C52的INT1/P3.3端口用于輸出發(fā)射器所需的40 kHz方波信號，INT0/P3.2端口用于檢測接收器輸出的返回信號。液晶顯示電路采用LCD1602，使用單片機的P0口和P2口完成顯示功能。RXD/P3.0和TXD/P3.1端口用于串口數據的接收與發(fā)送。P1.2和P1.3分別為超聲波的接收與發(fā)送使能端口。P3.4端口用于接收從溫度傳感器DS18B20獲取的溫度信息。

1.1.2 溫度補償模塊

由(1)式可知，溫度對聲速的影響較大。為了提高系統的測量精度，增加了溫度補償模塊。其中的溫度傳感器采用的是DALLAS公司生產(chǎn)的數字式溫度傳感器DS18B20。硬件接口簡(jiǎn)單，性能穩定，僅需一根接口線(xiàn)與單片機連接;測量溫度范圍為-55～+125 ℃;溫度數字量轉換時(shí)間為200 ms(典型值);適合于惡劣環(huán)境的現場(chǎng)溫度測量。

DS18B20的管腳2與單片機P3.4接口相連，單片機通過(guò)此管腳以串行傳送方式讀取測溫結果。依靠上拉電阻提供電源，以達到DS18B20工作電流為1 mA的要求。根據所測溫度值，利用公式(1)對超聲波的速度進(jìn)行校正。

1.1.3 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊用于顯示當前的環(huán)境溫度和測得的距離值。顯示器件LCD1602的優(yōu)點(diǎn)是微功耗、體積小、顯示內容豐富。它識別的是ASCII碼，可以用ASCII碼直接賦值，在單片機編程中還可以用字符型常量或變量賦值。

單片機的P0口和P2口與液晶模塊相連，其中P0.0～P0.7端口用于LCD1602的數據輸出，P2.0～P2.2端口分別用于顯示模塊的數據命令選擇，讀寫(xiě)選擇和使能控制。R6和R7分別用于調節LCD1602的亮度和對比度。

1.2 超聲波測距部分

超聲波測距單元的框圖如圖2所示。系統中采用的換能器是中心頻率為40.0 kHz±0.1Hz的發(fā)射器255-400ST16和接收器255-400SR16。該換能器具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。安裝時(shí)應保持2個(gè)換能器中心軸線(xiàn)平行并相距4～8 cm，若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，可提高抗干擾能力。

1.2.1 超聲波發(fā)射電路

只要使用40 kHz的方波激勵換能器就可以產(chǎn)生超聲波。超聲波發(fā)射電路如圖3所示。電路中使用MOSFET管ZXM61P03F進(jìn)行電源管理，當單片機的P1.3端口為低電平時(shí)，電路通電。MAX864為電壓轉換芯片，它將輸入的5 V電源進(jìn)行加倍，轉換為正電源+10 V和負電源-10 V兩路輸出，提供給其后的LM8261使用。FC1和FC0為MAX864內部晶振頻率選擇位，當FC1和FC0均為高電平時(shí)，晶振頻率為最大值，高頻率可以保證MAX864不會(huì )對其它電路造成干擾，此時(shí)所需的外圍電容值(C9，C11.C12，C13)為1μF。LM8261是一個(gè)具有高輸出電流的運算放大器，較高的輸出電流可以使產(chǎn)生的超聲波有足夠的能量傳播較遠的距離。LM8261的同相輸入端與單片機的INT1/P3.3端口相連，在這個(gè)端口連續發(fā)出高低電平時(shí)，LM8261的輸出端就會(huì )產(chǎn)生方波。當方波的頻率為40 kHz時(shí)，就會(huì )激勵超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波。

1.2.2 超聲波接收電路

接收電路主要負責將超聲波信號轉變?yōu)殡娦盘?。換能器在接收到超聲波信號時(shí)，由于壓電效應會(huì )在兩個(gè)接頭上產(chǎn)生微弱的電壓信號，一般為毫伏級。微弱的電壓信號需通過(guò)放大電路進(jìn)行放大、整形，進(jìn)一步設計比較器電路將模擬信號轉變成為數字信號。

因此，接收電路包括接收換能器，放大電路以及比較整形電路3部分。電路如圖4所示?；夭ǚ糯箅娐肥褂玫氖蔷哂袃杉壏糯蠊δ艿腖MV82 2MM，R15和R16組成分壓電路，為同相輸入端提供基準電壓。其中可以通過(guò)調節第二級中的電位器R22來(lái)改變放大器的增益，從而調節放大電路的電壓放大倍數，以適應接收信號變化范圍大的需要。

回波放大電路和穩壓電路輸出的是模擬信號，電路中利用運算放大器LMC7215組成的比較器將模擬信號轉變?yōu)閿涤钚盘?，以便單片機進(jìn)行處理。R20和R21為比較器提供基準電壓。當反向輸入端電壓超過(guò)基準電壓時(shí)，輸出低電平，否則輸出為高電平。這樣，若有超聲波信號被接收，比較器電路輸出端會(huì )有由高到低的電平跳變。單片機的INT0/P3.2端口連接到比較器的輸出，以捕捉電平的跳變，從而判斷超聲波是否被接收。同時(shí)，比較器還解決了發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波脈沖沒(méi)有經(jīng)過(guò)反射物直接被接收器所接收的問(wèn)題。

2 系統軟件設計

程序設計部分的總體思路是：

Step1：系統的初始化工作。主要包括在液晶顯示屏LCD1602上顯示兩行預設字符，“Temp：”和“Dist：”，分別為環(huán)境溫度和測量距離的提示字符;設置定時(shí)器、外部中斷的觸發(fā)方式;打開(kāi)發(fā)送使能端P1.3和接收使能端P1.2;清零測量成功標志succeedFlag。

Step2：利用溫度傳感器DS18B20測量環(huán)境溫度，并將溫度值顯示在液晶顯示屏第一行“Temp：”的后面;根據公式(2)

計算出超聲波的傳播速度。

Step3：?jiǎn)?dòng)定時(shí)器T1開(kāi)始計時(shí)，同時(shí)連續發(fā)送8個(gè)頻率為40 kHz的超聲波信號(對P3.3口的高、低電平分別進(jìn)行12μs、13μs的延時(shí)，實(shí)現從P3.3口輸出頻率為40 kHz的方波信號);延時(shí)10μs后，打開(kāi)外部中斷EX0和總中斷EA，等待IT0/P3.2處電平的跳變。10μs的延時(shí)也可以有效地避免發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波脈沖沒(méi)有經(jīng)過(guò)反射物直接被接收器所接收的問(wèn)題。

Step4：超聲波在傳播過(guò)程中，遇障礙物后反射回波。當接收探頭接收到回波時(shí)，外部中斷0被觸發(fā)，此時(shí)執行中斷服務(wù)程序。即取出定時(shí)器的高低位TH1和TL1，置位測量成功標志succeedFlag，并關(guān)閉中斷。定時(shí)器所計的數據即為超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間t。

Step5：由以上步驟中所得定時(shí)器的值和超聲波速度，根據式(1)計算測量距離。

Step6：重復步驟2～5五次后，獲得5次測距值。去除其中的最大值和最小值，取中間3值的平均值為當前的測距結果，并將測距結果顯示在液晶顯示屏第二行“Dist：”之后。

Step7：重復步驟2～6，當有連續三次的預備顯示測距結果與當前的顯示結果不同時(shí)，將預備顯示測距結果顯示在液晶顯示屏上。這樣設計是為了避免顯示頻繁導致的液晶顯示抖動(dòng)。

Step8：重復步驟2～7進(jìn)行連續地測量。

程序中顯示一次測距結果的流程圖如圖5所示。

3 實(shí)驗

3.1 調試過(guò)程中出現的問(wèn)題及解決方法

1)回波信號的誤接收

由于超聲波發(fā)射探頭和接收探頭距離較近，當發(fā)射探頭發(fā)射超聲波后，有部分超聲波沒(méi)經(jīng)過(guò)障礙物反射就直接繞射到接收探頭上，這部分信號影響了系統的測量結果。設計中采用了兩個(gè)方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，一是略微增大發(fā)射探頭和接收探頭之間的距離，使影響降低;二是在發(fā)射完超聲波之后，開(kāi)外部中斷之前增加10μs的延時(shí)，接收電路對此期間接收到的任何信號不予理睬，延時(shí)之后接收到的信號才是有效的回波信號。

2)外部中斷0的觸發(fā)方式

沒(méi)有接收到超聲波信號時(shí)，INT0/P3.2引腳為高電平;接收到超聲波信號之后，該引腳變?yōu)榈碗娖?。因此理論上外部中?的觸發(fā)方式采用下降沿觸發(fā)和低電平觸發(fā)均可。而在實(shí)際電路中，當采用下降沿觸發(fā)方式時(shí)，由于噪聲的影響，在沒(méi)有回波被接收的情況下，P3.2引腳的高電平經(jīng)常會(huì )出現向下的毛刺信號，該信號引起外部中斷，造成了接收到回波信號的誤判。解決方法是采用低電平觸發(fā)，同時(shí)在進(jìn)入外部中斷之后判斷低電平的持續時(shí)間是否大于20μs，只有當滿(mǎn)足持續時(shí)間要求時(shí)，才判定接收到的信號為回波信號，而非噪聲。

3.2 測距結果及分析

為了驗證系統的性能.在實(shí)驗室進(jìn)行了實(shí)地測量。將超聲波探頭正對平整的墻壁進(jìn)行測量，根據距離不同記錄了12次實(shí)驗結果，測距結果如表1所示。表中的實(shí)際距離是用塑料軟尺測量得到的，測量距離為測量5次結果之后的平均值。

誤差產(chǎn)生及測量范圍有限的原因主要有：

1)超聲波能量的衰減。由于超聲波在傳播途中回波幅度隨傳播距離成指數規律衰減，使得遠距離回波很難檢測，即使系統已采用相關(guān)措施來(lái)避免誤差，但是超聲波能量的衰減是不可能避免的;

2)測量盲區。超聲波測距系統測量盲區的計算方法為啟動(dòng)定時(shí)器與打開(kāi)外部中斷之間的時(shí)間間隔的一半與超聲波速度的乘積;

3)接收整形電路造成的時(shí)延，信號傳輸和發(fā)射中的失真。

4 結論

設計的超聲波測距系統具有很好的穩定性，連續測量時(shí)有很好的響應速度。同時(shí)，系統具有結構簡(jiǎn)單、功耗小、成本低的特點(diǎn)，有良好的人機界面，能方便地實(shí)時(shí)顯示測距數據。當然，要滿(mǎn)足更高的精度要求，還須進(jìn)行適當改進(jìn)，在某些特殊場(chǎng)合的應用中，還要考慮超聲波的入射角、反射角以及超聲波傳播介質(zhì)的密度、表面光滑度等因素。