基于51單片機的超聲波測距系統的設計

O 引言
超聲波是指頻率大于20 kHz的在彈性介質(zhì)中產(chǎn)生的機械震蕩波。由于超聲波頻率較高，穿透力強，指向性強，傳輸過(guò)程中衰減少，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，遇到雜質(zhì)或分界面時(shí)會(huì )產(chǎn)生反射波，因此常被用于非接觸式測距。并且超聲波對光線(xiàn)、色彩和電磁場(chǎng)不敏感，因此超聲波測距對環(huán)境有較好的適應能力。廣泛應用于汽車(chē)倒車(chē)、機器人避障、工業(yè)測井、水庫液位測量、管道長(cháng)度測量等需要自動(dòng)進(jìn)行非接觸測距的場(chǎng)合。

1 超聲波測距原理
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。