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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、反射能力較強等優(yōu)點，超聲波傳感器可廣泛應用于非接觸式檢測方法，因而采用仿真技術進行超聲波測距。
目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量準確度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92 溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，設計的高準確度超聲波測距儀能達到毫米級的測量準確度。
1 超聲波測距報警系統(tǒng)基本原理
如圖1 所示，使單片機可接收超聲波模塊輸出的距離信號，并對其進行合理的處理后，在顯示模塊上實時顯示超聲波模塊與障礙物的距離。
圖1 系統(tǒng)連接示意
單片機發(fā)出40 kHz 的方波信號，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經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t.
再通過軟件編程進行判別、計算，得出所測距離值并由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，在到達被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為t.由公式：測出的距離 L （m） = 常溫下的聲速340 （m/s）× 感應時間t （s） / 2,算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v 與溫度有關，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距準確度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕拚?/p>
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 超聲波測距原理
單片機在 T0 時刻發(fā)射方波，同時啟動定時器開始計時，當收到回波后，產(chǎn)生一個負跳變到單片機中端口，單片機響應中斷程序，定時器停止計數(shù)。計算時間差，即可得到超聲波在介質(zhì)中傳播的時間t ,由此便可計算出距離。其時序圖如圖3 所示。
圖3 超聲波時序圖
2.2 硬件電路
硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用STC89C51 或其兼容系列。采用12 MHz 高準確度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P2.4 端口輸出超聲波換能器所需的40 kHz 的方波信號，利用外中斷0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的4 位共陽LED 數(shù)碼管，段碼用程序驅(qū)動，位碼用PNP 三極管驅(qū)動。
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:復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST 腳兩個機器周期的高電平時間。
（4）/EA/VPP:當/EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。
（5）XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。
（6）XTAL2:來自反向振蕩器的輸出。
（7）P0 口：P0 口為一個8 位漏級開路雙向I/O 口，也即地址/ 數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每腳可吸收8TTL 門電流。
（8）P1 口：P1 口是一個內(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TTL門電流，當P2 口被寫"1"時，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 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O 口，可吸收或輸出4 個TTL 門電流。
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 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。
（11）ALE//PROG:當訪問外部存儲器時，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:外部程序存儲器的選通信號。
在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN 信號將不出現(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。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。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，縮短其自由振蕩時間。
圖5 超聲波發(fā)射電路原理圖
2.5 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�？紤]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6）。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的抗干擾能力。
圖6 超聲波檢測接收電路
2.6 顯示電路
顯示電路采用簡單實用的4 位共陽LED 數(shù)碼管，段碼用74LS244 驅(qū)動，位碼用PNP 三級管驅(qū)動。接P2.1 引腳的為個位顯示數(shù)碼管，其小數(shù)點在P2.1 有效時顯示，此功能由軟件來完成。
2.7 復位功能
系統(tǒng)應具備測距啟動功能，可以復位系統(tǒng)，使其開始重新測距。
綜上所述，本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時，單片機選用STC89C52,經(jīng)濟易用，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)軟件設計采用模塊化設計，主要包括主程序設計、T0 中斷服務子程序、外部中斷服務子程序、距離計算子程序、LED 顯示子程序設計等。
主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器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,然后才打開外中斷0 接收返回的超聲波信號。
測出距離后結果將以十進制BCD 碼方式送往LED 顯示約0.5 s,然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。為了有利于程序結構化和容易計算出距離，主程序采用C 語言編寫。
3.1 主程序
· 系統(tǒng)控制初始化LED、初始化計數(shù)控制部分，清除計數(shù)值。
· 單片機超聲波脈沖信號。
· 立刻置INT0 為1,打開計時器，等待回波信號。
· 回波信號到達，關閉計時器，P3.3 為0,清INT0 為0.
· 單片機讀出計數(shù)值。
· 單片機將計數(shù)值進行計算后得出的距離值，顯示在LED 上。
· 當測量距離< 10.0 cm 或> 50.0 cm 時，報警系統(tǒng)燈亮。
· 當按下復位鍵時，啟動復位功能。
主程序流程圖如圖8 所示。
圖8 主程序流程
3.2 定時中斷服務子程序
超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P3.3 端口發(fā)送2 個左右頻率約40 kHz 的方波的超聲波脈沖信號，同時把計數(shù)器T0 打開進行計時。定時中斷子程序如圖9 所示。
圖9 定時中斷服務子程序
3.3 功能顯示
如圖10 所示，通過數(shù)碼管顯示測出距離為14.3 cm,屬于10.0 ~ 50.0 cm 正常范圍。
圖10 超聲波測距正常范圍
如圖11 所示，超聲波測出的距離為9.4 cm,< 10.0 cm,報警系統(tǒng)啟動，LED 燈亮。
圖11 超聲波測距< 10.0 cm
如圖12 所示，超聲波測出的距離為50.3 cm,> 50.0 cm,報警系統(tǒng)啟動，LED 燈亮。
圖12 超聲波測距大于50.0 cm
如圖13 所示，按下鍵盤模塊中的按鍵，復位系統(tǒng)，數(shù)碼管顯示距離數(shù)歸零。
圖13 啟動復位功能
