基于AT89C2051的超聲波測距系統(tǒng)

摘要：介紹了利用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)的非接觸式距離檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用于汽車倒車時(shí)的報(bào)警、液位和物位的非接觸式測量，介紹了超聲波傳感器原理及系統(tǒng)各單元的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中采用了AT89C2051型單片機(jī)作為主控制器。把一種直流電機(jī)PWM調(diào)速芯片應(yīng)用到此系統(tǒng)中，使得控制方法簡便，應(yīng)用范圍增強(qiáng)，同時(shí)可以利用單片機(jī)設(shè)定距離值和輸出控制信號。最終距離用串行方法在數(shù)碼管上顯示出來，可以直觀地查看距離值，以實(shí)現(xiàn)測距、顯示、輸出控制信號的功能。

非接觸式的距離測量在工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用機(jī)器人視覺系統(tǒng)中對距離的測量，汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)及液位、物位的檢測系統(tǒng)等。有鑒于此，設(shè)計(jì)了基于超聲波傳感器的測距控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)距離的測量和顯示，并能輸出控制信號及實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通信。與以往類似系統(tǒng)不同的是：本設(shè)計(jì)采用了一種直流電機(jī)PWM調(diào)速芯片作為超聲波發(fā)射驅(qū)動電路。

其優(yōu)點(diǎn)是：電路簡單，易于控制，而且對于不同電壓峰值要求的超聲波傳感器，可以改變其供電電壓值。

顯示部分采用一種串行通訊芯片驅(qū)動數(shù)碼管，以節(jié)約單片機(jī)IO口的使用數(shù)量和提高數(shù)碼量，因此，系統(tǒng)應(yīng)用靈活，實(shí)用性強(qiáng)，其模塊化設(shè)計(jì)可嵌入到不同的系統(tǒng)中。

1 超聲波測距傳感器

超聲波傳感器是一種換能器，它把電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成聲能。本設(shè)計(jì)采用壓電式超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的。該傳感器有2個(gè)壓電晶片和1個(gè)共振板，當(dāng)其兩極外加脈沖信號，且頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波。如果兩極問不加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，聲波將迫使壓電晶片振動，使機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器。

每個(gè)傳感器的中心頻率都存在一定的誤差，在40 kHz左右波動。而且超聲波傳感器發(fā)射波束時(shí)存在發(fā)散角問題，一般發(fā)散角都比較大，從而導(dǎo)致了方向性較差。同時(shí)，隨著傳播距離的增大，在不同的發(fā)散角上信號衰減的程度也有變化。它在空氣中的發(fā)散角及耗散性如圖1所示。

圖1 發(fā)散角與耗散性

采用反射式超聲波測距的原理是：當(dāng)單片機(jī)控制超聲波傳感器向某一方向發(fā)射波束的同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部開始計(jì)時(shí)。在傳播過程中，超聲波遇障礙物后反射回波。傳感器接收到第一個(gè)反射波后，停止計(jì)時(shí)。由于超聲波在空氣中的傳播速度是340 m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)時(shí)間及公式S=340 t/2,即可得到發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S.

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

超聲波測距系統(tǒng)包括4個(gè)部分，即①發(fā)射電路中振蕩器驅(qū)動控制電路；②接收電路中模擬放大、濾波、信號調(diào)制電路；③數(shù)碼管顯示電路；④單片機(jī)系統(tǒng)及其串口輸出、控制信號輸出、按鍵輸入部分。其方框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖