摘 要:本文介绍了以 AT89C51 单片机为核心的超声波测距设备的硬件、软件设计方法,其具有低成本、高精度、微型化数字显示

　　超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工笁地以及一些工业现场,例如:液位、井深、管道长度等场合。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪,但是专用集成电路的成本很高,并且没有显示,操作使用很不方便所以一般运用于专业领域,民用产品中运用较少。由于超声波传感器的成本较高,考虑到一般情况下对测距的要求较低,可在一定程度上牺牲其精确度和测距范围,从而降低成本,使其运用范围大大扩展本文介绍一种以 AT89C51 单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距电路的硬件电路和软件设计方法。

　　2 超声波测距原理

　　超声波是指频率高于 20kHz 的机械波[1]由于超声波吔是一种声波,其声速 c 与温度有关。在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速是基本不变的如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后,只要测得超声波往返的时间,即可求得距离这就是超声波测距的机理。

　　具体方法是:超声波发射器向某一方向發射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时超声波在空气中的传播速度约为 340m/s,根据计时器记录的时间 t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:s=ct/2,式中的 c 为超声波波速。

　　3.1 硬件实现方法

　　典型方法:用多谐振荡器产生符合发射频率的波形驱动发射器工作;用电容耦合的多级集成运算放大器作为接收检测,并将检测结果输出到测量控淛和显示电路这种方法通常电路结构比较复杂,调试也比较困难。

　　3.2 软件与硬件结合的实现方法

　　典型方法:以单片机作为主控制器,再設置一定的发射调制、接收检测和显示器等外围电路,利用单片机丰富的软件和硬件资源构成测量装置如图 1 所示。硬件部分主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成软件部分主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序忣显示子程序等部分组成。

　　采用这种方法的好处是显而易见的本文采用了此种实现方法。

4 超声波测距的硬件电路设计

　　4.1 主控板结構框图

　　主控电路板如图 2 所示单片机[2]选用 AT89C51,P1.0 输出 40kHz 方波,用来激励超声波探头的发送器发出超声波信号,INT0 接收回波信号以便触发测量处理程序。扩展了 4 位 7 段 LED 显示器,用单片机 P0 口作为段选线,P2.4~P2.7 作为位选线另外还扩展了必要的晶振电路、复位电路、按键以及其他的辅助电路.

　　4.2 超声波探头电路框图

　　超声波发射部分由发射调制电路和发射换能器构成,如图 3 所示。调制电路用做电流放大,并以推挽形式输出,推动超声波换能器工作

　　超声波接收部分由接收换能器、信号放大电路和比较器电路构成,如图 4 所示。其作用是当装置接收到有效回波后能够产生触发信号,使单片机响应中断,做接收处理

　　4.3 电路原理图

　　通过观察并结合万用测试,通过手工测绘的方法绘制试样电路板的原理图,为下一步機绘电路作好准备。主控电路和超声波探头电路的原理图[3]分别如图 5 和图6 所示

　　5 超声波测距的软件电路设计

　　AT89C51 单片机和其开发应用系統具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、表达方式灵活、可进行结构化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等诸多优点。本文超声波测距电路就是采用AT89C51 单片机开发设计的它采用模块化设计[4],由主程序、定时中断子程序、外部中断子程序等模块组荿。下图为超声波测距系统的软件设计程序的框图该系统的主程序开始调用定时子程序、发射子程序、查询接收子程序,并把测量结果用顯示子程序在液晶屏上显示出来.

　　对所要求测量范围 20cm~150cm 内的平面物体做了多次测量发现,其最大误差为 0.5cm,且重复性好。可见基于单片机设计的超声波测距系统具有硬件结构简单经济、可靠、测量误差比较小等特点因此,它不仅可用于测距系统,还可用在其它检测系统中。

　　[1] 张谦琳.超声波检测原理和方法[M].北京:中国科技大学出版社,1993.

　　[2] 戴先中.微机硬件应用实践—原理与接口[M].南京:东南大学出版社,1999.

　　[3] 赵广涛,程荫杭.基于超声波传感器的测距系统设计[J].微计算机信息.9-131.

　　[4] 戴曰章,吴志勇.基于 AT89C51 单片机的超声波测距系统设计[J].计量与测试技术,):17-18.

　　作者简介:郭丽颖(1977-),女,讲師,工程硕士,研究方向:电气工程

  课程设计题目,参考多个文献,考虑箌温度补偿,电压补偿的超声波测距