基于51單片機的超聲波測距儀LED顯示電路的設計

1 引言

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應用越來(lái)越廣。但就目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來(lái)，超聲波測距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著(zhù)更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿(mǎn)足日益發(fā)展的社會(huì )需求，如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的被動(dòng)測距聲納，以滿(mǎn)足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需要；繼續發(fā)展采用低頻線(xiàn)譜檢測的潛艇拖曳線(xiàn)列陣聲納，實(shí)現超遠程的被動(dòng)探測和識別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標識別問(wèn)題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無(wú)庸置疑，未來(lái)的超聲波測距儀將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。隨著(zhù)測距儀的技術(shù)進(jìn)步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng )造力。在新的世紀里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。

隨著(zhù)科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設加快，城市給排水系統也有較大發(fā)展，其狀況不斷改善。但是，由于歷史原因合成時(shí)間住的許多不可預見(jiàn)因素，城市給排水系統，特別是排水系統往往落后于城市建設。因此，經(jīng)常出現開(kāi)挖已經(jīng)建設好的建筑設施來(lái)改造排水系統的現象。城市污水給人們帶來(lái)了困擾，因此箱涵的排污疏通對大城市給排水系統污水處理，人們生活舒適顯得非常重要。而設計研制箱涵排水疏通移動(dòng)機器人的自動(dòng)控制系統，保證機器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通機器人的設計研制的核心部分?？刂葡到y核心部分就是超聲波測距儀的研制。因此，設計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。這就是我設計超聲波測距儀的意義。

2 總體設計方案

2.1 設計思路

2.1.1超聲波測距儀的設計思路

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 of flight）。首先測出超聲波從發(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

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12.0MHZ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。

2.12超聲波測距原理

發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度υ在空氣中傳播，在到達被測物體時(shí)被反射返回，由接收器接收，其往返時(shí)間為t，由s=vt/2即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)，下表列出了幾種不同溫度下的聲速。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。如果測距精度要求很高，則應通過(guò)溫度補償的方法加以校正。

表1 超聲波波速與溫度的關(guān)系表

溫度（℃）

-30

-20

-10

0

10

20

30

100

聲速

（m／s）

313

319

325

323

338

344

349

386

2.2 超聲波測距儀原理框圖

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圖1.

3．設計原理分析

3.1 系統組成

3.1.1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)現對超聲波發(fā)射和接受處理模塊的控制。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。

3.1.2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。

3.2 系統硬件電路設計

3.2.1 單片機最小系統

其作用主要是為了保證單片機系統能正常工作。如圖2所示，單片機最小系統主要由AT89S51單片機、外部振蕩電路、復位電路和+5V電源組成。在外部振蕩電路中，單片機的XTAL1和XTAL2管腳分別接至由12MHZ晶振和兩個(gè)30PF電容構成的振蕩電路兩側，為電路提供正常的時(shí)鐘脈沖。在復位電路中，單片機RESET管腳一方面經(jīng)20 F的電容接至電源正極，實(shí)現上電自動(dòng)復位，另一方面經(jīng)開(kāi)關(guān)s接電源。其主要功能是把PC初始化為0000H，是單片機從0000H單元開(kāi)始執行程序，除了進(jìn)入系統的初始化之外，當由于程序出錯或者操作錯誤使系統處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需要按復位鍵重新啟動(dòng)，因此，復位電路是單片機系統中不可缺少的一部分。

3.2.2 單片機測距原理

單片機發(fā)出超聲波測距是通過(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tr，然后求出距離S＝Ct／2，式中的C為超聲波波速。限制該系統的最大可測距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設計方法，限于實(shí)際需要，本電路只采用單路超聲波發(fā)射接收。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關(guān)。