基于單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)

0 引言

超聲波具有定向性好、能量集中、在傳輸過程中衰減較小、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)距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量準(zhǔn)確度。通過分析超聲波測(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:來自反向振蕩器的輸出。

（7）P0 口：P0 口為一個(gè)8 位漏級(jí)開路雙向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門電流，當(dāng)P2 口被寫"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 門電流。