51單片機設計的超聲波測距器

　　一、設計要求

　　設計一個(gè)超聲波測距器，可以應用于汽車(chē)倒車(chē)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現場(chǎng)的位置監控，也可用于如液位、井深、管道長(cháng)度的測量等場(chǎng)合。要求測量范圍在0.10-3.00m，測量精度1cm，測量時(shí)與被測物體無(wú)直接接觸，能夠清晰穩定地顯示測量結果。

　　二、設計思路

　　超聲波傳感器及其測距原理

　　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)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱(chēng)為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉換成電信號。

　　超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time

　　測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長(cháng)距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機負責計時(shí)，單片機使用12.0M晶振，所以此系統的測量精度理論上可以達到毫米級。

　　 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測量精度方面也能達到要求。

　　超聲波發(fā)生器可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類(lèi)是用機械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來(lái)實(shí)現。

　　根據設計要求并綜合各方面因素，可以采用AT89S51單片機作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現LED數字顯示，超聲波驅動(dòng)信號用單片機的定時(shí)器完成，超聲波測距器的系統框圖如下圖所示：

超聲波測距器系統設計框圖

　　三、系統組成

　　硬件部分

　　主要由單片機系統及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分組成。采用AT89S51來(lái)實(shí)現對CX20106A紅外接收芯片和TCT40-10系列超聲波轉換模塊的控制。單片機通過(guò)P1.0引腳經(jīng)反相器來(lái)控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認為超聲波已經(jīng)返回。計數器所計的數據就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。

　　軟件部分

　　主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序等部分。

　　四、系統硬件電路設計

　　1.單片機系統及顯示電路

　　單片機采用89S51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩定的時(shí)鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P1.0端口輸出超聲波轉化器所需的40KHz方波信號，利用外中斷0口檢測超聲波接受電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的4位共陽(yáng)LED數碼管，段碼用74LS244驅動(dòng)，位碼用PNP三極管驅動(dòng)。單片機系統及顯示電路如下圖所示

單片機及顯示電路原理圖

超聲波發(fā)射電路原理圖

　　2.超聲波發(fā)射電路原理圖參考期刊如圖所示：

壓電超聲波轉換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。內部結構上圖所示，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，這時(shí)它就是一超聲波發(fā)生器;如沒(méi)加電壓，當共振板接受到超聲波時(shí)，將壓迫壓電振蕩器作振動(dòng)，將機械能轉換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接受轉換器。超聲波發(fā)射轉換器與接受轉換器其結構稍有不同。