基于單片機的超聲波測距系統設計及實(shí)現

　　1 超聲波測距原理

　　超聲波傳感器分機械方式和電氣方式兩類(lèi)，它實(shí)際上是一種換能器，在發(fā)射端它把電能或機械能轉換成聲能，接收端則反之。本次設計超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電式超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì )發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機械能轉換為電信號，就成為超聲波接收器。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個(gè)數越多，能量越大，所能測的距離也越遠。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結構上稍有不同，使用時(shí)應分清器件上的標志。

　　Pellarn和Galt于1946年提出了脈沖回波法，其工作原理是：用超聲脈沖激勵超聲探頭向外輻射超聲波，同時(shí)接收從被測物體反射回來(lái)的超聲波（簡(jiǎn)稱(chēng)回波），通過(guò)檢測或估計從發(fā)射超聲波至接收回波所經(jīng)歷的射程時(shí)間ToF（Time of Flight），按下式計算超聲波探頭與被測物體之間的距離d,即：

　　其中c為聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度。

　　2 系統構成

　　本系統硬件電路由單片機、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、測溫電路、顯示電路、報警電路等構成，如圖1所示。

　　3 系統程序設計

　　3.1 主程序

　　主程序首先對系統環(huán)境初始化，設置定時(shí)器TO工作模式為16位定時(shí)/計數器模式，總中斷允許位置1并給顯示端口清0;然后調用超聲波發(fā)生子程序送出若干個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起直射渡觸發(fā)，從發(fā)射開(kāi)始一直到"虛假反射波"結束這段時(shí)間內，不開(kāi)放外部中斷（INTO）申請，便可有效躲避干擾，但同時(shí)也會(huì )造成測試"盲區".假設延時(shí)約0.1 ms后，才打開(kāi)外部中斷接收返回的超聲波信號，當溫度為20℃，測量盲區為d=1×10-2×344=1.72 cm.

　　3.2 超聲波發(fā)生子程序和接收子程序

　　超聲波發(fā)生子程序的作用是通過(guò)P1.0端口發(fā)送超聲波換能器所需的40kHz的方波信號（脈沖寬度為12μs左右），同時(shí)把計數器TO打開(kāi)進(jìn)行計時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡(jiǎn)單，但要求程序運行準確，所以采用匯編語(yǔ)言編程。

　　超聲波接收子程序利用外部中斷O檢測返回超聲波，一旦接收到返回超聲波信號（即INT0引腳出現低電平），立即進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，關(guān)閉定時(shí)器TO停止計時(shí)，并將測距成功標志位賦值1.如果當計時(shí)器溢出時(shí)還未檢測到超聲波返回信號，則說(shuō)明障礙物過(guò)遠，超出量程，將關(guān)閉外部中斷，并標志此次測距不成功。

　　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，所能測量的距離也越遠。但也不是無(wú)限制的，本方案是讀取定時(shí)器TO的計數值，最大能測試的距離是TO尚未溢出時(shí)檢測到超聲波回波信號，故在溫度20℃下，最大測試距離為。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。