單片機超聲波測距報警器套件(直外掛程式）

　　在日常生產生活中，很多場合如汽車倒車、機器人避障、工業測井、水庫液位元測量等需要自動進行非接觸測距。超聲波是指頻率大於20 kHz的在彈性介質中產生的機械震盪波，其具有指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離相對較遠等特點，因此常被用於非接觸測距。由於超聲波對光線、色彩和電磁場不敏感，因此超聲波測距對環境有較好的適應能力，此外超聲波測量在即時、精度、價格也能得到很好的折衷。

　　為此，文中嘗試以單片機AT89S52為核心，利用一對40 kHz壓電超聲感測器設計一款體積較小、價格低廉、精度較高、報警的超聲波測距儀。

　　1 超聲波測距原理

　　超聲波感測器分機械方式和電氣方式兩類，它實際上是一種換能器，在發射端它把電能或機械能轉換成聲能，接收端則反之。本次設計超聲波感測器採用電氣方式中的壓電式超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈衝信號，其頻率等於壓電晶片的固有振盪頻率時，壓電晶片將會發生共振，並帶動共振板振動，產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，就成為超聲波接收器。在超聲波電路中，發射端輸出一系列脈衝方波，脈衝寬度越大，輸出的個數越多，能量越大，所能測的距離也越遠。超聲波發射換能器與接收換能器其結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標誌。

　　超聲波測距的方法有多種：如往返時間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法。本設計採用往返時間檢測法測距。其原理是超聲波感測器發射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質傳播，到達測量目標或障礙物後反射回來，經反射後由超聲波接收器接收脈衝，其所經歷的時間即往返時間，往返時間與超聲波傳播的路程的遠近有關。測試傳輸時間可以得出距離。

　　假定s為被測物體到測距儀之間的距離，測得的時間為t／s，超聲波傳播速度為v／m•s－1表示，則有關係式(1)

s=vt／2 (1)

　　在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按式(2)對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。

v=331．4+0．607T (2)

　　式中，T為實際溫度單位為℃，v為超聲波在介質中的傳播速度單位為m／s。

2 系統總體設計方案

　　本系統由超聲波發射、回波信號接收、顯示和報警、等硬體電路部分以及相應的軟體部分構成。整個系統由單片機AT89S52控制，超聲波感測器採用收發分體式，分別是一支超聲波發射換能器TCT40－16T和一支超聲波接收換能器TCT40－16R。超聲波信號通過超聲波發射換能器發射至空氣中，遇被測物反射後回波被超聲波接收換能器接收。進行相關處理後，輸入單片機的INT0腳產生中斷，計算中間經歷的時間，同時再根據具體的溫度計算相應的聲速，根據式(2)就可得出相應的距離用來顯示，當然在一些場合也可根據需要，設置距離報警值。

　　3 硬體設計

　　3．1 超聲波發射部分

　　超聲波發射部分是為了讓超聲波發射換能器TCT40－16T能向外界發出40 kHz左右的方波脈衝信號。40 kHz左右的方波脈衝信號的產生通常有兩種方法：採用硬體如由555振盪產生或軟體如單片機軟體程式設計輸出，本系統採用後者。程式設計由單片機P1.0埠輸出40 kHz左右的方波脈衝信號，由於單片機埠輸出功率不夠，40 kHz方波脈衝信號分成兩路，送給一個由74HC04組成的推挽式電路進行功率放大以便使發射距離足夠遠，滿足測量距離要求，最後送給超聲波發射換能器TCT40－16T以聲波形式發射到空氣中。發射部分的電路，如圖2所示。圖中輸出端上拉電阻R31，R32，一方面可以提高反向器74HC04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振盪的時間。

　　3．2 超聲波接收部分

　　上述TCT40－16T發射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會返回，超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器TCT40－16R進行轉換變成電信號，並對此電信號進行放大、濾波、整形等處理後，這裡用索尼公司生產的集成晶片CX20106，得到一個負脈衝送給單片機的P3.2(INT0)引腳，以產生一個中斷。接收部分的電路，如圖3所示。

　　可以看到，集成晶片CX20106在接收部分電路中起了很大的作用。CX20106是一款應用廣泛的紅外線檢波接收的專用晶片，其具有功能強、性能優越、週邊介面簡單、成本低等優點，由於紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz比較接近，而且CX20106內部設置的濾波器中心頻率f0五可由其5腳外接電阻調節，阻值越大中心頻率越低，範圍為30～60 kHz。故本次設計用它來做接收電路。CX20106內部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構成。工作過程如下：接收的回波信號先經過前置放大器和限幅放大器，將信號調整到合適幅值的矩形脈衝，由濾波器進行頻率選擇，濾除干擾信號，再經整形，送給輸出端7腳。當接收到與CX20106濾波器中心頻率相符的回波信號時，其輸出端7腳就輸出低電平，而輸出端7腳直接接到．AT89S52的INT0引腳上，以觸發中斷。若頻率有一些誤差，可調節晶片引腳5的外接電阻R42，將濾波器的中心頻率設置在40 kHz，就可達到理想的效果。

  3報警部分。

　　採用一個蜂鳴器，輸出一定頻率的信號，在連接到蜂鳴器之前，經過一個三極管9 012的放大。報警部分的連線，如圖6所示。

成品圖（僅供參考，以實物為準）

散件圖（僅供參考，以實物為准）

4 軟體

　　系統軟體設計採用模組化設計，主要包括主程序設計、T1中斷服務副程式、INT0外部中斷服務副程式、距離計算副程式、顯示副程式、延時副程式和報警副程式設計等。

　　系統軟體編制時應考慮相關硬體的連線，同時還要進行存儲空間、寄存器以及計時器和外部中斷引腳的分配和使用。本設計中P1.0引腳連接到7 HC04推挽放大電路再連接到超聲波發射感測器，P1.0引腳輸出的將是軟體方式產生的40 kHz方波，而P3.2(INT0)則被用來接收回波。計時器T1，T0均工作在工作方式1，為16位元數目，T1計時器被用來開啟一次測距過程以它的溢出為標誌開始一個發射測量迴圈，T0計時器是用來計算脈衝往返時間，它們的初值均設為0。

此外，還有幾點需要說明的是：

　　本設計中40 kHz方波的產生採用軟體方式實現：控制P1.0口輸出12μs的高電平，再輸出13μs的低電平，這樣得到一個週期的40 kHz的脈衝，再迴圈發送8次。

　　在CPU停止發送脈衝群後，由於電阻尼，換能器不能立即停止發送超聲波，在一段時間內仍然會發送，故這段時間內不可立即開啟INT0接收回波，要等待一段後以避免發送端的部分直射波未經被測物就直接繞射到接收端，這段被稱為“虛假反射波”。從發射開始一直到“虛假反射波”結束這段時間，不開放INT0中斷申請，可有效躲避干擾，但也會造成測試的“盲區”。本次設為1 ms，假定溫度為20℃，則測量盲區為s=1×10-3×344／2≈17．2 cm。

　　(4)最大測試距離將取決於：兩次脈衝群發送之間的最小時間間隔和脈衝的能量。一般來說，發射端脈衝個數越多，能量越大，所能測的距離也越遠。但也不是無限制的，本次讀取計時器T0的計數值，最大能測試的距離是T0尚沒溢出，故在溫度20℃下，最大測試距離為s=vt／2=65 535×344／(2×106)=11．272 m。在一些週期性發射超聲波設備中，如果要測試的最大距離是10 m，則兩次脈衝群之間的最小時間為t=2×s/v=2×10／344≈60：ms 。

　　5 結束語

　　為了驗證系統的測量精度，在實驗室進行了實地測量。利用本系統對20～1 000 cm範圍進行了多次測試，經補償後最大誤差達2 cm，線性度、穩定性和重複性都比較好。系統具有結構簡單、體積小、即時LCD顯示和報警、帶溫度補償、抗干擾性能好等優點。系統的誤差主要來自於發射探頭髮出的超聲波是呈喇叭狀擴散傳播、被測物的表面不光滑且不一定垂直於兩探頭的軸線而導致所反射回來的波也許是從不同點獲得，此外電子元器件自身的時延、干擾等也造成一定影響。可以根據具體場合，選擇合適功率的探頭，以及調整程式中脈衝的頻率、寬度和個數等提高精度或測量距離，擴大系統的應用範圍。