0 引言
超聲波具有定向性好、能量集中、在傳輸過(guò)程中衰減較小、反射能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，超聲波傳感器可廣泛應(yīng)用于非接觸式檢測(cè)方法，因而采用仿真技術(shù)進(jìn)行超聲波測(cè)距。
目前國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)距專(zhuān)用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量準(zhǔn)確度。通過(guò)分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用LM92 溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，設(shè)計(jì)的高準(zhǔn)確度超聲波測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量準(zhǔn)確度。
1 超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)基本原理
如圖1 所示，使單片機(jī)可接收超聲波模塊輸出的距離信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行合理的處理后，在顯示模塊上實(shí)時(shí)顯示超聲波模塊與障礙物的距離。
圖1 系統(tǒng)連接示意
單片機(jī)發(fā)出40 kHz 的方波信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t.
再通過(guò)軟件編程進(jìn)行判別、計(jì)算，得出所測(cè)距離值并由LED 數(shù)碼管顯示，其原理框圖如圖2。
圖2 超聲波測(cè)距儀原理框圖
發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度v 在空氣中傳播，在到達(dá)被測(cè)物體時(shí)被反射返回，由接收器接收，其往返時(shí)間為t.由公式：測(cè)出的距離 L （m） = 常溫下的聲速340 （m/s）× 感應(yīng)時(shí)間t （s） / 2,算出被測(cè)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)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距準(zhǔn)確度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕拚?/p>
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 超聲波測(cè)距原理
單片機(jī)在 T0 時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變到單片機(jī)中端口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在介質(zhì)中傳播的時(shí)間t ,由此便可計(jì)算出距離。其時(shí)序圖如圖3 所示。
圖3 超聲波時(shí)序圖
2.2 硬件電路
硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(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。單片機(jī)采用STC89C51 或其兼容系列。采用12 MHz 高準(zhǔn)確度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P2.4 端口輸出超聲波換能器所需的40 kHz 的方波信號(hào)，利用外中斷0 口監(jiān)測(cè)超聲波接收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，段碼用程序驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP 三極管驅(qū)動(dòng)。
2.3 各主要模塊的硬件
STC89C51 芯片引腳與封裝如圖4 所示。
圖4 STC89C51 引腳
引腳功能說(shuō)明：
（1）VCC:電源電壓。
（2）GND:接地。
（3）RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。
（4）/EA/VPP:當(dāng)/EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。
（5）XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。
（6）XTAL2:來(lái)自反向振蕩器的輸出。
（7）P0 口：P0 口為一個(gè)8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O 口，也即地址/ 數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每腳可吸收8TTL 門(mén)電流。
（8）P1 口：P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P1 口緩沖器能吸收或輸出4TTL門(mén)電流。
（9）P2 口：P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 口緩沖器可吸收或輸出4 個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2 口被寫(xiě)"1"時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。
（10）P3 口：P3 口管腳是8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O 口，可吸收或輸出4 個(gè)TTL 門(mén)電流。
P3 口也可作為AT89C52 的一些特殊功能口，如表1 所示。
表1 P3 特殊功能口
P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。
（11）ALE//PROG:當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。
（12）/PSEN:外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。
在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。
2.4 超聲波發(fā)射電路
超聲波發(fā)射電路原理如圖5 所示。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R10、R11 一方面可以提高反向器74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。
圖5 超聲波發(fā)射電路原理圖
2.5 超聲波檢測(cè)接收電路
集成電路CX20106A 是一款紅外線檢波接收的專(zhuān)用芯片。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz 與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路（ 如圖6）。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A 接收超聲波（ 無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平），具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。
圖6 超聲波檢測(cè)接收電路
2.6 顯示電路
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 三級(jí)管驅(qū)動(dòng)。接P2.1 引腳的為個(gè)位顯示數(shù)碼管，其小數(shù)點(diǎn)在P2.1 有效時(shí)顯示，此功能由軟件來(lái)完成。
2.7 復(fù)位功能
系統(tǒng)應(yīng)具備測(cè)距啟動(dòng)功能，可以復(fù)位系統(tǒng)，使其開(kāi)始重新測(cè)距。
綜上所述，本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)，單片機(jī)選用STC89C52,經(jīng)濟(jì)易用，且片內(nèi)有8K 的ROM,便于編程。電路原理如圖7 所示。
3 軟件方案
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序設(shè)計(jì)、T0 中斷服務(wù)子程序、外部中斷服務(wù)子程序、距離計(jì)算子程序、LED 顯示子程序設(shè)計(jì)等。
主程序首先是對(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.
圖7 電路原理
然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約0.1 ms,然后才打開(kāi)外中斷0 接收返回的超聲波信號(hào)。
測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD 碼方式送往LED 顯示約0.5 s,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)。
3.1 主程序
· 系統(tǒng)控制初始化LED、初始化計(jì)數(shù)控制部分，清除計(jì)數(shù)值。
· 單片機(jī)超聲波脈沖信號(hào)。
· 立刻置INT0 為1,打開(kāi)計(jì)時(shí)器，等待回波信號(hào)。
· 回波信號(hào)到達(dá)，關(guān)閉計(jì)時(shí)器，P3.3 為0,清INT0 為0.
· 單片機(jī)讀出計(jì)數(shù)值。
· 單片機(jī)將計(jì)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算后得出的距離值，顯示在LED 上。
· 當(dāng)測(cè)量距離< 10.0 cm 或> 50.0 cm 時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)燈亮。
· 當(dāng)按下復(fù)位鍵時(shí)，啟動(dòng)復(fù)位功能。
主程序流程圖如圖8 所示。
圖8 主程序流程
3.2 定時(shí)中斷服務(wù)子程序
超聲波發(fā)生子程序的作用是通過(guò)P3.3 端口發(fā)送2 個(gè)左右頻率約40 kHz 的方波的超聲波脈沖信號(hào)，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0 打開(kāi)進(jìn)行計(jì)時(shí)。定時(shí)中斷子程序如圖9 所示。
圖9 定時(shí)中斷服務(wù)子程序
3.3 功能顯示
如圖10 所示，通過(guò)數(shù)碼管顯示測(cè)出距離為14.3 cm,屬于10.0 ~ 50.0 cm 正常范圍。
圖10 超聲波測(cè)距正常范圍
如圖11 所示，超聲波測(cè)出的距離為9.4 cm,< 10.0 cm,報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，LED 燈亮。
圖11 超聲波測(cè)距< 10.0 cm
如圖12 所示，超聲波測(cè)出的距離為50.3 cm,> 50.0 cm,報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，LED 燈亮。
圖12 超聲波測(cè)距大于50.0 cm
如圖13 所示，按下鍵盤(pán)模塊中的按鍵，復(fù)位系統(tǒng)，數(shù)碼管顯示距離數(shù)歸零。
圖13 啟動(dòng)復(fù)位功能 
