基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：基于超聲波實(shí)現(xiàn)無接觸式測(cè)距原理，介紹了一種基于單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。由單片機(jī)軟件產(chǎn)生40kHz超聲波，并測(cè)量回波時(shí)間，可精確到us級(jí)。為提高測(cè)距精度，采取了溫度補(bǔ)償、角度補(bǔ)償措施。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度和實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：起聲波；測(cè)距；單片機(jī)

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(jī)械震蕩波。由于超聲波頻率較高，穿透力強(qiáng)，指向性強(qiáng)，傳輸過程中衰減少，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，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(cè)距。并且超聲波對(duì)光線、色彩和電磁場(chǎng)不敏感，因此超聲波測(cè)距對(duì)環(huán)境有較好的適應(yīng)能力。廣泛應(yīng)用于汽車倒車、機(jī)器人避障、工業(yè)測(cè)井、水庫液位測(cè)量、管道長度測(cè)量等需要自動(dòng)進(jìn)行非接觸測(cè)距的場(chǎng)合。

1 超聲波測(cè)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(lì)超聲探頭向外輻射超聲波，同時(shí)接收從被測(cè)物體反射回來的超聲波(簡稱回波)，通過檢測(cè)或估計(jì)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(jì)算超聲波探頭與被測(cè)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(tǒng)構(gòu)成
本系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、測(cè)溫電路、顯示電路、報(bào)警電路等構(gòu)成，如圖1所示。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
3．1 主程序
主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器TO工作模式為16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器模式，總中斷允許位置1并給顯示端口清0；然后調(diào)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)射開始一直到“虛假反射波”結(jié)束這段時(shí)間內(nèi)，不開放外部中斷(INTO)申請(qǐng)，便可有效躲避干擾，但同時(shí)也會(huì)造成測(cè)試“盲區(qū)”。假設(shè)延時(shí)約0．1 ms后，才打開外部中斷接收返回的超聲波信號(hào)，當(dāng)溫度為20℃，測(cè)量盲區(qū)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P1．0端口發(fā)送超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)(脈沖寬度為12μs左右)，同時(shí)把計(jì)數(shù)器TO打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。