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文檔簡介

1、方案選擇說明超聲波測距主要應用于倒車雷達、建筑施工工地以及一 些工業現場,例如:液位、井深、管道長度等場合。目前國 內一般使用專用集成電路設計超聲波測距儀,但是集成電路 的成本很高,并且沒有顯示操作使用不方便。本文介紹 AT89S52單片機為核心的低成本、高精度、微型化數字顯示 超聲波測距儀的硬件電路和軟件設計方法。實際證明該儀器 工作穩定,性能良好。系統總體方案的設計本系統由超聲波發射、回波信號接收、溫度測量、顯 示和報警、電源等硬件電路部分以及相應的軟件部分構成。 系統原理框圖,如圖1所示。圖1系統原理框圖整個系統由單片機 AT89S52控制,超聲波傳感器采用收發分體式,分別是一支超聲波發

2、射換能器TCT40 - 16T和一支超聲波接收換能器 TCT40 - 16R。超聲波信號通過超聲波發 射換能器發射至空氣中,遇被測物反射后回波被超聲波接收換能器接收。進行相關處理后,輸入單片機的INTO腳產生中斷,計算中間經歷的時間,同時再根據具體的溫度計算相 應的聲速,根據式(2)就可得出相應的距離用來顯示,當然在 一些場合也可根據需要,設置距離報警值。倒車報警器主要依據是超聲波測距,以AT89S51單片機為核心設計出方案1.超聲波測距原理超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發射后遇到障礙物所反射的回波,從而測出發射和接收回波的時間差t,然后求出距S=Ct/2,式中的C為超聲波波速。由于超聲波也是

3、一種聲波,其聲速C與溫度有關,表1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,則應用通過溫度補償的方法加以校正。聲速確定后,只要測得 超聲波往返的時間,即可求得距離。這就是超聲波測距的機 理。表1聲速與溫度關系表溫度(C)-30-20-100102030100聲速(米/秒)3133193253233383443493862. AT89S52的功能特點AT89S52是一個4K字節可編程EPROM的高性能微控制 器。它與工業標準 MCS-51的指令和引腳兼容,因而是一種功能強大微控制器,它對很多嵌入式控制應用提供一個高度 靈活有效的解決

4、方案, AT89S52 具有以下特點: 4K 字節的 EPROM ,128 字節 RAM 、32根 I/O 口線、 2 個 16 位定時器 /計數器、 5 個向量二級中斷結構、 1 個全雙向串行口、并且 內含精密模擬比較器和片內擴展器,具有4。25V至5。5V的電壓工作范圍和 12MHZ/24MHZ 的工作頻率, 同時還具有 加密陣列的二級程序存儲器加鎖、掉電和時鐘等。此外, AT89S52 還支持二種軟件可選的電源節電方式。 空閑時, CPU 停止,而讓 RAM ,定時 /計數器、串行口和中斷系繼續工作。 可掉電保存 RAM 的內容,但可使振蕩器停止以禁止芯片所 有的其它功能直到下一次硬件復

5、位。AT89S52有2個16位計時/計數器寄存器 TO、T1。作為 一個定時器,每個機器周期寄存器增加 1,這樣寄存器即可 計數機器周期。因此,可以對外部的輸入端P3。 2/INTO 和P3。 3/INT1 編程,便于測量脈沖寬度的門。充分利用 AT89S51 的片內資源, 即可在很少外圍電路的 情況下構成功能完善的超聲波測距系統。3. 超聲波發射部分超聲波發射部分是為了讓超聲波發射換能器TCT4O 16T 能向外界發出 4O kHz 左右的方波脈沖信號。 4O kHz 左右 的方波脈沖信號的產生通常有兩種方法:采用硬件如由555振蕩產生或軟件如單片機軟件編程輸出,本系統采用后者。編程由單片機

6、P1.0端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號, 由于單片機端口輸出功率不夠,40 kHz方波脈沖信號分成兩路,送給一個由74HC04組成的推挽式電路進行功率放大以 便使發射距離足夠遠,滿足測量距離要求,最后送給超聲波 發射換能器TCT40 - 16T以聲波形式發射到空氣中。發射部 分的電路,如圖 2所示。圖中輸出端上拉電阻R31 , R32,一方面可以提高反向器 74HC04輸出高電平的驅動能力,另 一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果,縮短其自由振蕩的圖2超聲波發射電路框圖4. 超聲波接收部分上述TCT40 - 16T發射的在空氣中傳播,遇到障礙 物就會返回,超聲波接收部分是為了將反射波(回

7、波)順利接收到超聲波接收換能器 TCT40 - 16R進行轉換變成電信號, 并對此電信號進行放大、濾波、整形等處理后,這里用索尼 公司生產的集成芯片 CX20106 ,得到一個負脈沖送給單片機 的P3.2(INT0)引腳,以產生一個中斷。接收部分的電路,女口圖3所示U4CX2O1O6:J30rF 卩超崗波接收3303.3 Fih'2(°24 A 4|二 G104 p.F圖3超聲波接收電路框圖可以看到,集成芯片CX20106在接收部分電路中起了很大 的作用。CX20106是一款應用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片,其具有功能強、性能優越、外圍接口簡單、成本低等 優點,由于紅外遙控

8、常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz比較接近,而且 CX20106內部設置的濾波器中 心頻率f0五可由其5腳外接電阻調節,阻值越大中心頻率越 低,范圍為 3060 kHz。故本次設計用它來做接收電路。CX20106內部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢 波器、積分器及整形電路構成。工作過程如下:接收的回波 信號先經過前置放大器和限幅放大器,將信號調整到合適幅 值的矩形脈沖,由濾波器進行頻率選擇,濾除干擾信號,再 經整形,送給輸出端7腳。當接收到與CX20106濾波器中心頻率相符的回波信號時,其輸出端7腳就輸出低電平,而輸出端7腳直接接到.AT89S52的INTO引腳上

9、,以觸發中斷。 若頻率有一些誤差,可調節芯片引腳5的外接電阻R42,將濾波器的中心頻率設置在 40 kHz,就可達到理想的效果。5. 其他主要電路(1) 溫度測量部分。由于聲音的速度在不同的溫度下有所不同,為提高系統 的精度,采用了溫度補償功能。這里采用的主要元器件是是 美國Dallas半導體公司生產的單總線數字溫度傳感器 DS18B20,其具有精度高、智能化、體積小、線路簡單等特 點。將DS18B20數據線與單片機的 P1.1 口相連,就可以實 現溫度測量,如圖4所示。U5GNDGND12叫1/3DS18B20vcc圖4DS18B20溫度測量電路(2) LCD顯示部分。本設計顯示部分采用字符

10、型TC1602液晶顯示所測距離值。TC1602顯示的容量為2行16個字。液晶顯示屏有微功 耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧、使用方便等諸多優 點,與數碼管相比,顯得更專業、美觀。使用時,可將P0與LCD的數據線相連,P2 口與LCD的控制線相連,如圖 5所示。:1 6023出暨1 602RS 1 602備2 r1 CND ICD1 60220 kb GN1)6 UtinND工G1 M ! /<O516151413n11 io987654321圖5 TC16O2液晶顯示電路其中,TC1602第4腳RS為寄存器選擇,第5腳RW為讀寫 信號線,第6腳E為使能端。第714腳:D0D7為8位 雙

11、向數據線。這里要注意的是,為了布線方便,單片機端的D0D7是接到LCD / 602的D1D0 ,正好相反,因此在編 寫軟件時需要做處理,使讀取正確。(3) 報警部分。采用一個蜂鳴器,由P1.2輸出一定頻率的信號, 在連接到蜂鳴器之前,經過一個三極管9 012的放大。報警部分的連線,如圖6所示。Ti22i kn、9012圖6報譽電路(4) 電源電路:220 V經9 V變壓器降壓后,再經D1D4橋 式整流和7 805穩壓后給電路各部分供電。(5) 晶振電路:采用 12 MHz的晶振。系統硬件電路設計電路圖如下一張所示AT89S52通過外部引腳P1。6輸出脈沖寬度為250us,載波 為40KHZ的1

12、0個脈沖的脈沖群,以推挽形式加到變壓器的 初經升壓變換推動超聲波換能器發射出去。在發射的同時,P1。7輸入一個高電平啟動,給電容C4充電。發射結束時高電平翻轉為低電平,C4開始對R2、R3組成的分壓器放電 并輸出到比較器的負端。超聲波接收將接收到的障礙物反射 的超聲波送到放大器進行放大,這是一個高增益、低噪音放 大器,在對放大后的信號進行檢波后將檢測回波送到比較器 的正端。發射時P1。7輸出的電平可以抑制比較器的翻轉, 這樣就可以抑制發射器的超聲波直接輻射到接收器而導致 錯誤檢測。超聲波測距原理,我們必須測出回波和發射脈沖之間的時間 間隔,利用 S=Ct/2 就可算出距離,再在 LCD 上顯示

13、出來。 當然還可以設置若干個鍵,以用來控制電路的工作狀態。限 制系統大測距離存在的四個因素:超聲波的幅度,反射的質 地,反射而和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏 度。接收器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距 離。系統軟件設計AT89S52 單片機和其開發應用系統具有語言簡潔、可移植性 好、表達能力強、表達方式靈活、可進行結構化設計、可直 接控制計算機硬件,生成質量高、使用方便等諸多優點。超 聲波測距儀就是用 AT89S51單片機開發設計的。它采用模塊 計,由主程序、發射子程序、定時子程序、顯示子程序等模 塊組成。軟件分為兩部分:主程序和中斷服務程序,流程圖如圖 2 所示。主程序完成初始化工作及超聲波發射和接收控制。中

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