單片機(jī)超聲波傳感器測(cè)量距離

設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波測(cè)距器，可以應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合。要求測(cè)量范圍在0.10-3.00m，測(cè)量精度1cm，測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。

二、設(shè)計(jì)思路

超聲波傳感器及其測(cè)距原理

超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè)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(gè)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(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（timeofflight）。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)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(cè)量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測(cè)距等，超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。

由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)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(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測(cè)量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，可以采用AT89S51單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成，超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示：

超聲波測(cè)距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

三、系統(tǒng)組成

硬件部分

主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分組成。采用AT89S51來實(shí)現(xiàn)對(duì)CX20106A紅外接收芯片和TCT40-10系列超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)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(jī)不停的檢測(cè)INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。

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。

四、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路

單片機(jī)采用89S51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波轉(zhuǎn)化器所需的40KHz方波信號(hào)，利用外中斷0口檢測(cè)超聲波接受電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP三極管驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路如下圖所示

單片機(jī)及顯示電路原理圖

2.超聲波發(fā)射電路原理圖參考期刊如圖所示：

超聲波發(fā)射電路原理圖

壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。內(nèi)部結(jié)構(gòu)上圖所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一超聲波發(fā)生器;如沒加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波時(shí)，將壓迫壓電振蕩器作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接受轉(zhuǎn)換器。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器與接受轉(zhuǎn)換器其結(jié)構(gòu)稍有不同。

3.超聲波檢測(cè)接受電路

參考紅外轉(zhuǎn)化接收期刊的電路采用集成電路CX20106A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測(cè)距超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路。實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)改變C4的大小，可改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。

超聲波接收電路圖

五、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距軟件設(shè)計(jì)主要由主程序，超聲波發(fā)射子程序，超聲波接受中斷程序及顯示子程序組成。下面對(duì)超聲波測(cè)距器的算法，主程序，超聲波發(fā)射子程序和超聲波接受中斷程序逐一介紹。

1．超聲波測(cè)距器的算法設(shè)計(jì)

下圖示意了超聲波測(cè)距的原理，即超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出的一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接受。這樣只要計(jì)算出發(fā)生信號(hào)到接受返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。

距離計(jì)算公式：d=s/2=(c*t)/2

*d為被測(cè)物與測(cè)距器的距離，s為聲波的來回路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時(shí)間

聲速c與溫度有關(guān)，如溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返時(shí)間，即可求得距離。在系統(tǒng)加入溫度傳感器來監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，可進(jìn)行溫度被償。這里可以用DS18B20測(cè)量環(huán)境溫度，根據(jù)不同的環(huán)境溫度確定一聲速提高測(cè)距的穩(wěn)定性。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)在軟硬件上采用抗干擾措施。

不同溫度下的超聲波聲速表

溫度/

-30

-20

-10

0

10

20

30

100

聲速c(m/s)

313

319

325

323

338

344

349

386

2．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T0工作模式為16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲0.1ms(這也就是測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因)后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用12MHz的晶振，機(jī)器周期為1us,當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按下式計(jì)算即可測(cè)得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離,設(shè)計(jì)時(shí)取20℃時(shí)的聲速為344m/s則有：

d=(C*T0)/2=172T0/10000cm（其中T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值）

測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式LED,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。主程序框圖如下

3.超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序

超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送2個(gè)左右的超聲波信號(hào)頻率約40KHz的方波，脈沖寬度為12us左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距器主程序利用外中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（INT0引腳出現(xiàn)低電平)，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測(cè)距不成功。

六．軟硬件調(diào)試及性能

超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用Φ15的超聲波換能器TCT40-10F1（T發(fā)射）和TCT40-10S1（R接收），中心頻率為40kHz，安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C4的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。

硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)的范圍為0.07～5.5m，測(cè)距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。

后續(xù)工作需實(shí)驗(yàn)后才能驗(yàn)證

根據(jù)參考電路和集成的電路器件測(cè)距范圍有限10m以內(nèi)為好。

程序清單

以下是用匯編語(yǔ)言編寫的超聲波測(cè)距控制源程序：

采用AT89S51 12ＭＨz晶振

顯示緩沖單元在４０Ｈ～４３Ｈ，使用內(nèi)存44H、45H、46H用于計(jì)算距離

20H用于標(biāo)志

VOUT EQU P1.0 ;脈沖輸出端口

*中斷入口程序*

ORG 0000H

LJMP START

ORG 0003H

LJMP PINT0

ORG 000BH

LJMP INTT0

ORG 0013H

RETI

ORG 001BH

LJMP INTT1

ORG 0023H

RETI

ORG 002BH

RETI

*主程序*

START: MOV SP, #4FH

MOV R0, #40H ;40~43H為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40為最高位）

MOV R7,#0BH

CLEARDISP:MOV @R0, #00H

INC R0

DJNZ R7, CLEARDISP

MOV 20H, #00H

MOV TMOD, #21H ;T1為8位自動(dòng)重裝模式，T0為16位定時(shí)器

MOV TH0, #00H ;65ms初值

MOV TL0, #00H ;40KHz初值

MOV TH1, #0F2H

MOV TL1, #0F2H

MOV P0, #0FFH

MOV P1, #0FFH

MOV P2, #0FFH

MOV P3, #0FFH

MOV R4, #04H ；超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制（為賦值的一半）

SETB PX0

SETB ET0

STEB EA

CLR 00H

SETB TR0 ;開啟測(cè)距定時(shí)器

START1: LCALL DISPLAY

JNB 00H, START1 ;收到反射信號(hào)時(shí)標(biāo)志位為1

CLR EA

LCALL WORK ；計(jì)算距離子程序

SETB EA

CLR 00H

SETB TR0 ；重新開啟測(cè)距定時(shí)器

MOV R2, #64H ； 測(cè)量間隔控制（約4*100=400ms）

LOOP: LCALL DISPLAY

DJNZ R2, LOOP

SJMP START 1

*中斷程序*

;T0中斷，65ms中斷一次

INTT0: CLR EA

CLR TR0

MOV TH0, #00H

MOV TL0, #00H

SETB ET1

SETB EA

SETB TR0 ;啟動(dòng)計(jì)時(shí)器T0，用以計(jì)算超聲波來回時(shí)間

SETB TR1 ;開啟發(fā)超聲波用定時(shí)器T1

OUT: RETI

;T1中斷，發(fā)超聲波用

INTT1: CPL VOUT

DJNZ R4,RETIOUT

CLR TR1 ；超聲波發(fā)送完畢，關(guān)T1

CLR ET1

MOV R4,#04H

SETB EX0 ；開啟接收回波中斷

RETIOUT: RETI

;外中斷0，收到回波時(shí)進(jìn)入

PINT0: CLR TR0 ；關(guān)計(jì)數(shù)器

CLR TR1

CLR ET1

CLR EA

CLR EX0

MOV 44H, TL0 ；將計(jì)數(shù)值移入處理單元

MOV 45H, TH0

SETB 00H ；接收成功標(biāo)志

RETI

*延時(shí)程序*

DL1MS: MOV R6, #14H

DL1: MOV R7, #19H

DL2: DJNZ R6, DL2

DJNZ R6, DL1

RET

*顯示程序*

;40H為最高位，43H為最低位，先掃描高位

DISPLAY： MOV R1, #40H;G

MOV R5,#0F7H;G

PLAY: MOV A, R5

MOV P0, #0FFH

MOV P2, A

MOV A, @R1

MOV DPTR, #TAB

MOVC A, @A+DPTR

MOV P0, A

LCALL DLIMS

INC R1

MOV A, R5

JNB ACC.0, ENDOUT;G

RR A

MOV R5, A

AJMP PLAY

ENDOUT; MOV P2, #0FFH

MOV P0, #0FFH

RET

TAB; DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH

；共陽(yáng)數(shù)碼管 0 ,1, 2,3,4,5,6,7,8,9,不亮，A, —

*距離計(jì)算程序(=計(jì)算值×17/1000cm) 近似

WORK: PUSH ACC

PUSH PSW

PUSH B

MOV PSW, #18H

MOV R3, 45H

MOV R2, 44H

MOV R1, #00D

MOV R0, #17D

LCALL MUL2BY2

MOV R3, #03H

MOV R2, #0E8H

LCALL DIV4BY2

LCALL DIV4BY2

MOV 40H, R4

MOV A, 40H

JNZ JJ0

MOV 40H, #0AH ;最高位為0，不點(diǎn)亮

JJ0: MOV A R0

MOV R4, A

MOV A R1

MOV R5 A

MOV R3, #00D

MOV R2, #100D

LCALL DIV4BY2

MOV 41H, R4

MOV A, 41H

JNZ JJ1

MOV A, 40H ；此高位為0，先看最高位是否為不亮

SUBB A, #0AH

JNZ JJ1

MOV 41H, #0AH ； 最高位不亮，次高位也不亮

JJ1: MOV A, R0

MOV R4, A

MOV A, R1

MOV R5, A

MOV R3, #00D

MOV R2, #10D

LCALL DIV4BY2

MOV 42H, R4

MOV A 42H

JNZ JJ2

MOV A, 41H ;次高位為0，先看次高位是否為不亮

SUBB A, #0AH

JNZ JJ2

MOV 42H, #0AH ；次高位不亮，次高位也不亮

JJ2: MOV 43H, R0

POP B

POP PSW

POP ACC

RET

*兩字節(jié)無符號(hào)數(shù)乘法程序

MUL2BY2: CLR A

MOV R7, A

MOV R6, A

MOV R5, A

MOV R4, A

MOV 46H, #10H

MULLOOP1: CLR C

MOV A, R4

RLC A

MOV R4, A

MOV A, R5

RLC A

MOV R5, A

MOV A, R6

RLC A

MOV R6, A

MOV A, R7

RLC A

MOV R7, A

MOV A, R0

RLC A

MOV R0, A

MOV A, R1

RLC A

MOV R1, A

JNC MULLOOP2

MOV A, R4

ADD A, R2

MOV R4, A

MOV A, R5

ADDC A, R3

MOV R5, A

MOV A, R6

ADDC A, #00H

MOV R6, A

MOV A, R7

ADDC A, #00H

MOV R7, A

MULLOOP2: DJNZ 46H, MULLOOP1

RET

*四字節(jié)/兩字節(jié)無符號(hào)數(shù)除法程序*

DIV4BY2: MOV 46H, #20H

MOV R0, #00H

MOV R1, #00H

DIVLOOP1: MOV A, R4

RLC A

MOV R4, A

MOV A, R5

RLC A

MOV R5, A

MOV A, R6

RLC A

MOV R6, A

MOV A, R7

RLC A

MOV R7, A

MOV A, R0

RLC A

MOV R0, A

MOV A, R1

RLC A

MOV R1, A

CLR C

MOV A, R0

SUBB A, R2

MOV B, A

MOV A, R1

SUBB A, R3

JC DIVLOOP2

MOV R0, B

MOV R1, A

DIVLOOP2: CPL C

DJNZ 46H, DIVLOOP1

MOV A, R4

RLC A

MOV R4, A

MOV A, R5

RLC A

MOV R5, A

MOV A, R6

RLC A

MOV R6, A

MOV A, R7

RLC A

MOV R7, A

RET

;

END

附C51程序

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

#define ulong unsigned long

extern void cs_t(void);

extern void delay(uint);

extern void display(uchar*);

//data uchar display(uchar*);

data uchar testok;

void main (void)

{

data uchar dispram[5];

data uint i;

data ulong time;

P0=0xff;

P2=0xff;

TMOD=0x11;

IE=0x80;

while (1)

{

cs_t();

delay(1);

testok=0;

EX0=1;

ET0=1;

while(! testok) display(dispram);

if (1==testok)

{

time=TH0;

time=(time<<8)| TL0;

time*=172;

time/=10000;

dispram[0]=(uchar) (time%10);

time/=10;

dispram[1]=(uchar) (time%10);

time/=10;

dispram[2]=(uchar) (time%10);

dispram[3]=(uchar) (time/10);

if (0==dispram[3]) dispram[3]=17;

} else

{

dispram [0]=16;

dispram [1]=16;

dispram [2]=16;

dispram [3]=16;

}

for (i=0;i<300;i++) display(dispram);

}

}

void cs_r(void) interrupt 0

{

TR0=0;

ET0=0;

EX0=0;

testok=1;

}

void overtime(void) interrupt 1

{

EX0=0;

TR0=0;

ET0=0;

testok=2;

}

NAME CS_T

?PR?CS_T?CS_T SEGMENT CODE

PUBLIC CS_T

RSEG ?PR?CS_T?CS_T

CS_T: PUSH ACC

MOV TH0, #00H

MOV TL0, #00H

MOV A, #4D

SETB TR0

CS_T1: CPL p1.0

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

DJNZ ACC,CS_T1

POP ACC

RET

;

END

name delay

?pr?_delay?delay segment code

public _delay

rseg ?pr?_delay?delay

_delay: push acc

mov a,r7

jz dela1

inc r6

dela1: mov r5,#50d

djnz r5, $

djnz r7,dela1

djnz r6,dela1

pop acc

ret

end

NAME DISPLAY

?PR?_DISPLAY?display segment code

?co?_DISPLAY?display segment data

EXTRN CODE (_DELAY)

PUBLIC _DISPLAY

RSEG ?CO?_DISPLAY?DISPLAY

?_display?byte:

dispbit: ds 1

dispnum: ds 1

rseg ?pr?_display?display

_display: push acc

push dph

push dpl

push psw

inc dispnum

mov a,dispnum

cjne a,#4d,disp1

DISP1: JC DISP2

MOV DISPNUM,#00H

MOV DISPBIT,#0FEH

DISP2: MOV A,R1

ADD A,DISPNUM

MOV R0,A

MOV A,@R0

MOV DPTR,#DISPTABLE

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

MOV A,DISPNUM

CJNE A,#2D,DISP3

CLR P0.7

DISP3: MOV P2,DISPBIT

MOV R5,#00H

MOV R7,#0AH

LCALL _DELAY

MOV P0,#0FFH

MOV P2,#0FFH

MOV A,DISPBIT

RL A

MOV DISPBIT,A

POP PSW

POP DPL

POP DPH

POP ACC

RET

DISPTABLE: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0BFH,0FFH

END