基于單片機的超聲波測距儀LED顯示電路的設(shè)計

摘要：本設(shè)計主要是基于AT89S51芯片為核心的超聲波測距儀，并有超聲波處理模塊CX20106A、CD4069組成的超聲波發(fā)射電路、數(shù)碼管顯示等器件組成，包括單片機系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、單片機復(fù)位電路、LED顯示電路。主要實現(xiàn)超聲波測距并指示功能。依據(jù)實際的測量精度要求還可以添加溫度補償電路。本系統(tǒng)成本低廉，功能實用。

關(guān)鍵詞：AT89S51 CX20106A 超聲波發(fā)射模塊 超聲波接收模塊 LED顯示電路

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，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，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求，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測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實現(xiàn)超遠程的被動探測和識別；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(biāo)識別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無庸置疑，未來的超聲波測距儀將與自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。隨著測距儀的技術(shù)進步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)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。

隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設(shè)加快，城市給排水系統(tǒng)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間住的許多不可預(yù)見因素，城市給排水系統(tǒng)，特別是排水系統(tǒng)往往落后于城市建設(shè)。因此，經(jīng)常出現(xiàn)開挖已經(jīng)建設(shè)好的建筑設(shè)施來改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。城市污水給人們帶來了困擾，因此箱涵的排污疏通對大城市給排水系統(tǒng)污水處理，人們生活舒適顯得非常重要。而設(shè)計研制箱涵排水疏通移動機器人的自動控制系統(tǒng)，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(shè)計研制的核心部分。控制系統(tǒng)核心部分就是超聲波測距儀的研制。因此，設(shè)計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。這就是我設(shè)計超聲波測距儀的意義。

2 總體設(shè)計方案

2.1 設(shè)計思路

2.1.1超聲波測距儀的設(shè)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(xí)慣上稱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(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。

超聲波測距的原理一般采用渡越時間法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距離測量。因為超聲波在標(biāo)準空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機負責(zé)計時，單片機使用12.0MHZ晶振，所以此系統(tǒng)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(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，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：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(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實現(xiàn)。

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，在到達被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為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，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(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>

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(jù)設(shè)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，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器完成，超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如圖1.

3．設(shè)計原理分析

3.1 系統(tǒng)組成

3.1.1硬件部分

主要由單片機系統(tǒng)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來實現(xiàn)對超聲波發(fā)射和接受處理模塊的控制。單片機通過P1.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過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(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.2.1 單片機最小系統(tǒng)

其作用主要是為了保證單片機系統(tǒng)能正常工作。如圖2所示，單片機最小系統(tǒng)主要由AT89S51單片機、外部振蕩電路、復(fù)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30PF電容構(gòu)成的振蕩電路兩側(cè)，為電路提供正常的時鐘脈沖。在復(fù)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，實現(xiàn)上電自動復(fù)位，另一方面經(jīng)開關(guān)s接電源。其主要功能是把PC初始化為0000H，是單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序，除了進入系統(tǒng)的初始化之外，當(dāng)由于程序出錯或者操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵重新啟動，因此，復(fù)位電路是單片機系統(tǒng)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(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：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，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計方法，限于實際需要，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)。