嵌入式超聲波測距儀的設計方案 - 全文

引言

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，測距技術(shù)越來越先進，從采用卷尺人工進行丈量，到用水準儀和三角理論進行測量計算，甚至采用激光測距等，這些測量手段因精度低、操作繁瑣或成本高而不盡人意。隨著超聲波的應用日益廣泛，超聲測距在測試領(lǐng)域中得到應用，該類產(chǎn)品如進口的超聲波液位計、超聲波測位儀等性能雖好，但價格昂貴。目前，超聲波傳感器技術(shù)已廣泛用于工業(yè)、國防、交通、生物醫(yī)療和家庭領(lǐng)域。超聲波傳感器技術(shù)與信息技術(shù)、集成工藝相結(jié)合，為開發(fā)智能化、高靈敏度的超聲波儀器設備創(chuàng)造了有利條件。鑒于此，運用嵌入式單片機技術(shù)、結(jié)合CAN總線通信協(xié)議標準、設計一種嵌入式超聲波測距儀具有很大的發(fā)展前景。它可以做到成本低、外圍電路簡單、功能齊全、能夠滿足一定的測量要求。

　　1　超聲波傳感器

　　1.1　典型結(jié)構(gòu)

　　超聲波傳感器是利用超聲波的特性而研制的傳感器，超聲波傳感器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是把成正方形的兩個壓電晶片（亦稱雙晶振子）按照相反的極性粘貼在一起，再引出兩個電極。壓電晶片上面有金屬震動板和圓錐形振子。圓錐形振子具有很強的方向性，便于發(fā)送和接收超聲波。超聲波傳感器采用金屬或塑料外殼，其頂部有屏蔽柵。

?

　　1.2　測距原理

　　超聲波具有頻率較高，沿直線傳播、方向性好、繞射小、穿透力強、傳播速度慢（約340m/s,與聲速相同）等特點。

　　超聲波對固體和液體的穿透能力強，尤其對于在陽光下不透明的固體，可以穿透幾十m的深度。超聲波遇到雜質(zhì)或分界面時會產(chǎn)生反射波，利用這一特性可構(gòu)成超聲波探傷儀或測距儀。超聲波遇到移動物體時會產(chǎn)生多普勒效應（DopplerEffect），使接收到的頻率發(fā)生變化，由此可制成多普勒測距系統(tǒng)。

　　超聲波測距原理是超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波脈沖，經(jīng)媒質(zhì)（空氣）傳到物體表面，反射后通過媒質(zhì)（空氣）傳到接收探頭，測出超聲脈沖從發(fā)射到接收所需的時間，根據(jù)媒質(zhì)中的聲速，求得從探頭到物體表面之間的距離。設探頭到物體表面的距離為L,超聲在空氣中的傳播速為v,從發(fā)射到接收所需的傳播時間為t,則有：L=vt/2。由此可見，被測距離L與傳播時間之間具有確定的函數(shù)關(guān)系，只要能測出時間t,即可求出距離L,通過軟件實現(xiàn)直接在顯示器上顯示L的值。

　　2　硬件電路設計

　　2.1　整體方案設計

　　根據(jù)所給的設計要求，即具有數(shù)字顯示、鍵盤輸入、超聲波發(fā)射與接收、能通過CAN總線與上位機進行通信、異常情況自動報警等功能?？梢詷?gòu)架出此嵌入式超聲波測距儀的整體方案設計框圖如圖2所示。從圖2中可以看出整體硬件電路設計主要包括：微處理器AT89C51部分、電源電路部分、超聲波發(fā)射與接收電路部分、鍵盤輸入部分、CAN總線通信部分、LED顯示部分?，F(xiàn)將重點介紹超聲波發(fā)射、接收電路和CAN總線通信電路的具體設計。

?

　　2.2　超聲波測距電路

　　超聲波測距電路主要包括兩個部分：超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路，具體的電路設計如圖3所示。圖2中上半部分就是超聲波發(fā)射電路，微處理器AT89C51通過編程在端口P16產(chǎn)生一個40kHz的超聲波信號，經(jīng)過兩個74LS14非門將信號驅(qū)動整形，再由三極管Q9對其進行放大，最后經(jīng)過變壓器T1送到超聲波傳感器CSB-T40,這樣就可以通過超聲波傳感器CSB-T40發(fā)出相應的超聲波信號。而圖3中的下半部分就是超聲波接收電路，超聲波信號通過障礙物發(fā)射到超聲波傳感器CSB-R40后，產(chǎn)生一定的電信號，電信號通過集成塊BX1490放大后送到了2個74LS14非門電路整形，最后進入微處理器AT89C51的P17端口。這樣就完成了1次超聲波測距的掃描過程，它可以通過程序來控制計數(shù)器，將計數(shù)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應的時間，再用時間乘以超聲波的傳播速度后除以2,既可以得到障礙物與超聲波傳感器之間的距離。

?

2.3　CAN總線通信電路

　　考慮到現(xiàn)在的智能測試設備日益趨于網(wǎng)絡化，則將CAN總線通信功能也設計進了此嵌入式超聲波測距儀中，CAN總線通信電路系統(tǒng)主要有AT89C51微控制器、獨立CAN通信控制器SJA1000、CAN總線驅(qū)動器PCA82C250及復位電路IMP708組成。CAN總線應用節(jié)點具體電路設計如下圖4所示。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，設計在SJA1000和CAN總線驅(qū)動器PCA82C250之間增加了光電隔離器6N137。當微處理器AT89C51將測距結(jié)果數(shù)據(jù)通過P0口發(fā)送到CAN總線控制器SJA1000,由SJA1000將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)從端口TX0發(fā)出，經(jīng)過光電隔離器6N137后到達CAN總線驅(qū)動器PCA82C250,最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。相反，來自CAN總線的數(shù)據(jù)也可以經(jīng)過相應電路到達微處理器。這樣就可以實現(xiàn)測距儀與上位機的通信功能。

?

　　3　程序設計

　　3.1　主程序設計

　　系統(tǒng)主程序主要包括系統(tǒng)的啟動后對系統(tǒng)的初始化、超聲波發(fā)射與接收、中斷管理、計時程序、測距計算、結(jié)果顯示、CAN通信、報警等其他子程序組成。根據(jù)以上超聲波測距儀的工作原理描述，系統(tǒng)主程序的流程圖設計如圖5所示。在主程序初始化后就進入超聲波信號發(fā)送程序，即利用程序產(chǎn)生超聲波信號由微處理器的P16端口送出，此時系統(tǒng)進入計時狀態(tài)，同時檢測P17端口是否能接收到超聲波的回波信號，但檢測到回波信號就關(guān)閉外部中斷進入計算距離子程序，接下來進行是否報警驗證和CAN通信子程序，最后打開外部中斷完成一次測距掃描過程，即主程序結(jié)束。

?

　　3.2　CAN通信子程序設計

　　CAN通信子程序主要包括3個部分：初始化子程序、發(fā)送子程序、接收子程序。在初始化子程序中主要是對系統(tǒng)的一些驗收碼寄存器、定時寄存器、輸出控制寄存器、定時寄存器、工作模式寄存器、中斷定時同步等參數(shù)進行設置。CAN通信中的發(fā)送與接收子程序的程序流程圖設計如圖6所示。在發(fā)送子程序中主要是讀取狀態(tài)寄存器位SR.2,看看SR.2是否為1,如果該位為1則進行相應的發(fā)送準備工作，同時將命令寄存器CMR.0置請求發(fā)送，發(fā)送完畢后就自動返回。而在接收子程序，先要讀狀態(tài)寄存器位SR.0,看看是否允許將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)讀取到CPU的RAM中，讀取完畢后就釋放接收緩沖區(qū)，再看看SR.1是否為1,為1則對SR.1進行清除并作溢出處理，否則就讀取SR.6與SR.7并對其作計時器警告及相應處理。

?

　　4　結(jié)語

　　所設計的嵌入式超聲波測距儀具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、性能可靠，測量和顯示障礙物距離的范圍為0.05～10m,它適用于對物體表面和液體表面的測量，可以作為一種小型的測距儀器使用于汽車倒車監(jiān)視與報警裝置，也可以作為一種嵌入式設備嵌入到其他大型的工業(yè)檢測與控制系統(tǒng)中。

?