單片機(jī)設(shè)計(jì)測距儀原理及其簡單應(yīng)用

       前超聲波測距已得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)一般使用專用集成電路根據(jù)超聲波測距原理設(shè)計(jì)各種測距儀器，但是專用集成電路的成本較高、功能單一。而以單片機(jī)為核心的測距儀器可以實(shí)現(xiàn)預(yù)置、多端口檢測、顯示、報警等多種功能，并且成本低、精度高、操作簡單、工作穩(wěn)定可靠。本文簡要介紹了利用5l系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)超聲波測距的原理以及實(shí)現(xiàn)的方法。

1 51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)

5l系列單片機(jī)中典型芯片（女[1AT89C51）采用40引腳雙列直插封裝（DIP）形式，內(nèi)部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2個16b的定時／計(jì)數(shù)器TO和T1，4個8 b的工／O端I：IP0，P1，P2，P3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的Flash可編程、可擦除只讀存儲器（E~PROM），使其在實(shí)際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖1所示。

5l系列單片機(jī)提供以下功能：4 kB存儲器；256 BRAM；32條工／O線；2個16b定時／計(jì)數(shù)器；5個2級中斷源；1個全雙向的串行口以及時鐘電路。

空閑方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時／計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。

掉電方式：保存RAM的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。

5l系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。

2 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測距原理

單片機(jī)發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差tr，然后求出距離S＝Ct／2，式中的C為超聲波波速。

限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關(guān)，表1。列出了幾種不同溫度下的波速。

在測距時由于溫度變化，可通過溫度傳感器自動探測環(huán)境溫度、確定計(jì)算距離時的波速C，較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過的路程，提高了測量精確度。波速確定后，只要測得超聲波往返的時間r，即可求得距離5。其系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

單片機(jī)（AT89C51）發(fā)出短暫的40kHz信號，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號啟動單片機(jī)中斷程序，得出時間t，再由系統(tǒng)軟件對其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至LED顯示電路進(jìn)行顯示，若測得的距離超出設(shè)定范圍系統(tǒng)將提示聲音報警電路報警。

AT89C51通過外部引腳P2．0輸出脈沖寬度為25／us、載波為40kHz的超聲波脈沖串，加到射隨器的基級，經(jīng)功率放大推動超聲波發(fā)射器發(fā)射出去。超聲波接收器將接收到的反射超聲波送到放大器進(jìn)行放大，然后用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波。經(jīng)處理后輸出低電平，送到AT89C51的引腳利用該原理設(shè)計(jì)的實(shí)例：汽車防撞雷達(dá)

3．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

汽車防撞雷達(dá)可以幫助駕駛員及時了解車周圍阻礙情況，防止汽車在轉(zhuǎn)彎、倒車等情況下撞傷、劃傷。其接收部分硬件電路如圖3所示，發(fā)射、預(yù)置＼控制、顯示部分硬件電路如圖4所示。

sP3．2，提供給軟件進(jìn)行處理。經(jīng)過AT89C51對接收到的信息進(jìn)行處理后，被測的距離茬LED上顯示，顯示的數(shù)據(jù)由串口線RXD和TXD輸出到74LSl64，轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)控制LED的顯示，采用動態(tài)顯示。兩位LED可表示4．9～0．1 m的距離，滿足顯示精度；若該距離小于預(yù)置的汽車低速安全剎車范圍（如：1 n）或0．5m），報警電路發(fā)出適當(dāng)?shù)木嫣崾疽?，由P2．1的輸出控制報警電路的工作。

3．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

汽車防撞雷達(dá)根據(jù)超聲測距原理用AT89C51單片機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)。整個軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。

軟件設(shè)計(jì)的主要思路是將預(yù)置、發(fā)射、接收、顯示、聲音報警等功能編成獨(dú)立的模塊，在主程序中采用鍵控循環(huán)的方式，當(dāng)按下控制鍵后，在一定周期內(nèi)，依次執(zhí)行各個模塊，調(diào)用預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時子程序，并把測量的結(jié)果進(jìn)行分析處理，根據(jù)處理結(jié)果決定顯示程序的內(nèi)容以及是否調(diào)用聲音報警程序。當(dāng)測得距離小于預(yù)置距離時，聲音報警程序被調(diào)用。圖5所示為程序的流程圖。

4 結(jié) 語

利用51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的測距儀便于操作、讀數(shù)直觀。經(jīng)實(shí)際測試證明，該類測距儀工作穩(wěn)定，能滿足一般近距離測距的要求，且成本較低、有良好的性價比。由于該系統(tǒng)中鎖相環(huán)鎖定需要一定時間，測得的距離有誤差，在汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用中此誤差為3C111可忽略不計(jì)；但在精度要求較高的工業(yè)領(lǐng)域如機(jī)器人自動測距等方面，此誤差不能忽略，只有通過改變－－些硬件的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對超聲波的快速鎖定，使誤差進(jìn)一步減小到0．31llnl，可以滿足更高要求。