基于單片機(jī)的超聲波測距儀LED顯示電路的設(shè)計

3.2.3 超聲波發(fā)射電路

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，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一超聲波發(fā)生器;如沒加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波時，將壓迫壓電振蕩器作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時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。

壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。本設(shè)計中發(fā)射器電路采用集成電路模塊不需考慮這些問題，主要是采用4069反相器在換能器兩端提供脈沖信號。其原理圖如圖3所示。

3.2.4 超聲波檢測接收電路

集成電路CX20106A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38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(如圖2-3)。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容CS的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。此部分電路在集成芯片上。

3.2.5 LED顯示電路

根據(jù)設(shè)計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(jī)的定時器完成，顯示電路如下圖5

3.3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

本設(shè)計基于匯編語言編程，其軟件設(shè)計思路如下：

3.3.1超聲波測距儀的算法設(shè)計

超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計算公式為：

d=s/2=(c×t)/2 （1）

其中，d為被測物與測距儀的距離，s為聲波的來回的路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時間。 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機(jī)內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。其部分源程序如下：

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

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

SUBB A,#0AH

JNZ JJ1

MOV 41H,#0AH

JJ1: MOV A,R0

MOV R4,A

MOV A,R1

MOV R5,A

MOV R3,#00D

MOV R2,10D

LCALL DIV4BY2

MOV 42H,R4

JNZ JJ2

MOV A,41H

SUBB A,#0AH

JNZ JJ2

MOV 42H,#0AH

JJ2: MOV 43H,R0

POP B

POP PSW

POP ACC

RET

3.3.2 主程序流程圖

軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖3-1（a）（b） (c) 所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。

定時中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。

主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器T0工作模式為16位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P1清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，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)，需要延時約0.1 ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因）后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12 MHz的晶 振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是1μs，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（2）計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計時取20℃時的聲速為344 m/s則有：

d=(c×t)/2=172T0/10000cm (2)

其中，T0為計數(shù)器T0的計算值。

測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計算出距離。

3.3.3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個左右超聲波脈沖信號（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12μs左右，同時把計數(shù)器T0打開進(jìn)行計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。