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基于单片机的超声波测距电路的设计

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　　摘要:本文介绍了以 AT89C51 单片机为核心的超声波测距设备的硬件、软件设计方法,其具有低成本、高精度、微型化数字显示。

　　1 引言

　　超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场,例如:液位、井深、管道长度等场合。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪,但是专用集成电路的成本很高,并且没有显示,操作使用很不方便。所以一般运用于专业领域,民用产品中运用较少。由于超声波传感器的成本较高,考虑到一般情况下对测距的要求较低,可在一定程度上牺牲其精确度和测距范围,从而降低成本,使其运用范围大大扩展。本文介绍一种以 AT89C51 单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距电路的硬件电路和软件设计方法。

　　2 超声波测距原理

　　超声波是指频率高于 20kHz 的机械波[1]。由于超声波也是一种声波,其声速 c 与温度有关。在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后,只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波测距的机理。

　　具体方法是:超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度约为 340m/s,根据计时器记录的时间 t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:s=ct/2,式中的 c 为超声波波速。

3 超声波测距的实现方法

　　3.1 硬件实现方法

　　典型方法:用多谐振荡器产生符合发射频率的波形驱动发射器工作;用电容耦合的多级集成运算放大器作为接收检测,并将检测结果输出到测量控制和显示电路。这种方法通常电路结构比较复杂,调试也比较困难。

　　3.2 软件与硬件结合的实现方法

　　典型方法:以单片机作为主控制器,再设置一定的发射调制、接收检测和显示器等外围电路,利用单片机丰富的软件和硬件资源构成测量装置。如图 1 所示。硬件部分主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。软件部分主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分组成。

　　采用这种方法的好处是显而易见的。本文采用了此种实现方法。

4 超声波测距的硬件电路设计

　　4.1 主控板结构框图

　　主控电路板如图 2 所示。单片机[2]选用 AT89C51,P1.0 输出 40kHz 方波,用来激励超声波探头的发送器发出超声波信号,INT0 接收回波信号以便触发测量处理程序。扩展了 4 位 7 段 LED 显示器,用单片机 P0 口作为段选线,P2.4~P2.7 作为位选线。另外还扩展了必要的晶振电路、复位电路、按键以及其他的辅助电路.

　　4.2 超声波探头电路框图

　　发射部分:

　　超声波发射部分由发射调制电路和发射换能器构成,如图 3 所示。调制电路用做电流放大,并以推挽形式输出,推动超声波换能器工作。

　　接收部分:

　　超声波接收部分由接收换能器、信号放大电路和比较器电路构成,如图 4 所示。其作用是当装置接收到有效回波后能够产生触发信号,使单片机响应中断,做接收处理。

　　4.3 电路原理图

　　通过观察并结合万用测试,通过手工测绘的方法绘制试样电路板的原理图,为下一步机绘电路作好准备。主控电路和超声波探头电路的原理图[3]分别如图 5 和图6 所示。

　　5 超声波测距的软件电路设计

　　AT89C51 单片机和其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、表达方式灵活、可进行结构化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等诸多优点。本文超声波测距电路就是采用AT89C51 单片机开发设计的。它采用模块化设计[4],由主程序、定时中断子程序、外部中断子程序等模块组成。下图为超声波测距系统的软件设计程序的框图。该系统的主程序开始调用定时子程序、发射子程序、查询接收子程序,并把测量结果用显示子程序在液晶屏上显示出来.