基于A(yíng)T89S52單片機的超聲波測距系統電路設計

　　超聲波是一種頻率在20KHz 以上的機械波，在空氣中的傳播速度約為340 m/s(20°C時(shí))。超聲波可由超聲波傳感器產(chǎn)生，常用的超聲波傳感器兩大類(lèi)：一類(lèi)是采用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類(lèi)是用機械方式產(chǎn)生超聲波，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。由于超聲波具有易于定向發(fā)射，方向性好，強度好控制，對色彩、光照度不敏感，反射率高等特點(diǎn)，因此被廣泛應用于無(wú)損探傷，距離測量、距離開(kāi)關(guān)、汽車(chē)倒車(chē)防撞、智能機器人等領(lǐng)域。

　　本設計的整體框圖如圖所示，主要由超聲波發(fā)射，超聲波接收與信號轉換，按鍵顯示電路與溫度傳感器電路組成。超聲波測距是通過(guò)不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差T，然后求出距離S=CT/2，式中的C 為超聲波波速。在常溫下，空氣中的聲速約為340m/s。由于超聲波也是一種聲波，其傳播速度C與溫度有關(guān)，在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。因本系統測距精度要求很高，所以通過(guò)對溫度的檢測對超聲波的傳播速度加以校正。超聲波傳播速度確定后，只要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測距系統的基本原理。

　　超聲波信號的發(fā)射與接收電路

　　發(fā)射部分電路如圖3所示，主要由脈沖調制信號產(chǎn)生電路，隔離電路以及驅動(dòng)電路組成，用來(lái)為超聲波傳感器提供發(fā)送信號。脈沖調制信號產(chǎn)生電路中通過(guò)單片機對555定的復位(RESET)端的控制，使555定時(shí)器分時(shí)工作從而生產(chǎn)生脈沖頻率為40KHz，周期為30ms 的脈沖調制信號，信號波形如圖2所示，本設計中一個(gè)周期內發(fā)送10個(gè)脈沖信號。隔離電路主要是由兩個(gè)與非門(mén)組成，對輸出級與脈沖產(chǎn)生電路之間進(jìn)行隔離。輸出級由兩個(gè)通用型集成運放TL084CN 組成，由于超聲波傳感器的發(fā)射距離與其兩端所加的電壓成正比，因此要求電路要產(chǎn)生足夠大的驅動(dòng)電壓，其基本原理就是一個(gè)比較電路，當輸入信號大于2.5V 時(shí)，運放A 的輸出電壓VA=+12V，運放B 的輸出電壓VB=-12V，當輸入信號2.5V 時(shí)，運放A 的輸出電壓VA=“-12V”，運放B 的輸出電壓VB=+12V，所以在超聲傳感器兩端得到兩個(gè)極性完全相反的對稱(chēng)波形， 即VB=-VA ， 所以加在超聲波傳感器兩端的電壓V=VA-VB=2VA，其兩端的電壓可達到24V，從而保證超聲波能夠發(fā)送較遠的距離，提高了測量量程。

　　接收部分的電路由放大電路，帶通濾波電路以及信號變換電路組成。放大電路和帶通濾波電路如圖4所示。由于超聲波信號在空氣中傳播時(shí)受到很大程度的衰減，所以反射回的超聲波信號非常的微弱，不能直接送到后級電路進(jìn)行處理，必須將信號放大到足夠的幅度，才能使后級電路對它進(jìn)行正確的處理。前置放大電路是由集成運放組成的自舉式同相交流放大電路，具有很高的輸入阻抗，C5，C6，C7為隔直電容，R5，R6，R7為偏置電阻，用來(lái)設置放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。帶通濾波器采用二階RC 有源濾波器，用于消除超聲波傳播過(guò)程中受到的干擾信號的影響。

　　放大電路與帶通濾波電路

　　如下圖4所示，該電路為二階壓控電壓源帶通濾波電路，圖中RW，C10 組成低通濾波網(wǎng)絡(luò )，C9和R12組成高通濾波網(wǎng)絡(luò )，兩者串聯(lián)組成了帶通濾波電路。集成運放和電阻R9，RlO 一起組成同相比例放大器，為了使電路能夠穩定工作，必須保證同相比例放大器的增益，帶通濾波器的中心頻率ω0=40kHz，電路參數可通過(guò)AV=1+R9/R10和ω0=1/R12C2(1/RW+1/R13)確定。經(jīng)過(guò)帶通濾波后的信號經(jīng)專(zhuān)用儀表放大器AD620進(jìn)行放大，然后送到信號變換電路，信號變換電路主要將接收到的包絡(luò )信號變換成單片機的中斷觸發(fā)信號。由包絡(luò )檢波電路，電壓比較器和RS 觸發(fā)器組成。包絡(luò )檢波電路由二極管D3，電阻R19，和電容C13組成。經(jīng)過(guò)包絡(luò )檢波得到的信號如圖6中的V2所示。電壓比較器由集成運放和電容電阻組成，為了消除發(fā)送探頭的干擾信號，我們將單片機P1.2輸出的信號加到電壓比較器的同相端，它的波形是250μs 的高電平，和29750μs 低電平的方波，通過(guò)二極管D3將P1.2和比較器的正向端隔離。當P1.2輸出高電平時(shí)，通過(guò)二極管對電容C14充電，由于二極管是正向導通的，所以充電很快，當P1.2輸出為低電平時(shí)，二極管反向截止，電容通過(guò)電阻RW 和R21放電， 由于總電阻比較大，所以放電很緩慢，波形如圖6中V3所示，從圖中可看出，在沒(méi)有收到返回信號時(shí)，比較器輸出高電平，如果收到返回信號，比較器便輸出低電平，輸出波形如圖6中Vo 所示，通過(guò)這種方法就可以消除發(fā)射探頭對反射回的信號的干擾。

　　在發(fā)送端發(fā)送超聲波信號時(shí)，P1.2輸出高電平，經(jīng)過(guò)反相器后，變?yōu)榈碗娖郊拥接|發(fā)器的R 端，因為沒(méi)收到反射信號之前，電壓比較器輸出為高電平，所以基本RS 觸發(fā)器的輸入分別為，R=O，S=l，為0態(tài)，即Q=0，Q=1，Q 的信號加到單片機的中斷輸入端，因為單片機的中斷為下降沿觸發(fā)，輸入為高電平，不產(chǎn)生中斷。當發(fā)送完畢時(shí)，P1.2輸出低電平，經(jīng)反相器，變?yōu)楦唠娖剿偷接|發(fā)器的R 端，沒(méi)有收到反射回的信號時(shí)，電壓比較器輸出仍為高電平，所以基本RS 觸發(fā)器的R=“1”，S=1，為保持狀態(tài)，即Q=1，Q=0，也不產(chǎn)生中斷。當接收到反射回的信號時(shí)，電壓比較器輸出低電平，因此，基本RS 觸發(fā)器的輸入端R=“1”，S=0，觸發(fā)器工作在0態(tài)，即Q=O，Q=1。單片機的中斷輸入端的電平由高電平變?yōu)榈碗娖?，從而使單片機產(chǎn)生中斷。

　　單片機的外圍電路圖如圖7所示，顯示電路由單片機控制七段數碼管進(jìn)行顯示，采用數字溫度傳感器DS18820對環(huán)境溫度進(jìn)行檢測，從而對超聲波的傳播速度進(jìn)行溫度補償，提高測量精度。兩個(gè)按鍵用于控制測量的開(kāi)始與停止以及距離與溫度顯示的切換。

　　本系統由于發(fā)射功率和超聲波發(fā)射探頭的原因，測量距離在10cm 到500cm 之間，在近距離測量和遠距離測量時(shí)存在誤差較大，在50cm 和200cm 之間測量時(shí)精度最好，誤差不大于1cm。在本設計中由于超聲波發(fā)射周期為10個(gè)25μs 的方波，因此發(fā)射時(shí)間為T(mén)=250μs，已知常溫下聲速C 為340m/s，可知S=CT/2=250μs/2=8.5cm，因此確認測距盲區為9cm。即當測量距離小于9cm 時(shí)不能正確測量。