基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

超聲波頻率較高而波長短，因而具有束射特性，可沿直線傳播、方向性好、繞射小、穿透力強、傳播速度慢，而且遇到雜質(zhì)或分界面時會產(chǎn)生反射波。正由于超聲波具有以上特點，所以在測量領(lǐng)域，他的應(yīng)用范圍越來越廣泛。

　　1 超聲波測距原理

　　超聲波傳感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(fā)射端它把電能或機械能轉(zhuǎn)換成聲能，接收端則反之。本次設(shè)計超聲波傳感器采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(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)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(zhuǎn)換為電信號，就成為超聲波接收器。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個數(shù)越多，能量越大，所能測的距離也越遠(yuǎn)。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。

　　Pellarn和Galt于1946年提出了脈沖回波法，其工作原理是：用超聲脈沖激勵超聲探頭向外輻射超聲波，同時接收從被測物體反射回來的超聲波（簡稱回波），通過檢測或估計從發(fā)射超聲波至接收回波所經(jīng)歷的射程時間ToF（Time of Flight），按下式計算超聲波探頭與被測物體之間的距離d,即：

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　　其中c為聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度。

　　2 系統(tǒng)構(gòu)成

　　本系統(tǒng)硬件電路由單片機、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、測溫電路、顯示電路、報警電路等構(gòu)成，如圖1所示。

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　　3 系統(tǒng)程序設(shè)計

　　3.1 主程序

　　主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器TO工作模式為16位定時/計數(shù)器模式，總中斷允許位置1并給顯示端口清0;然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出若干個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起直射渡觸發(fā)，從發(fā)射開始一直到"虛假反射波"結(jié)束這段時間內(nèi)，不開放外部中斷（INTO）申請，便可有效躲避干擾，但同時也會造成測試"盲區(qū)".假設(shè)延時約0.1 ms后，才打開外部中斷接收返回的超聲波信號，當(dāng)溫度為20℃，測量盲區(qū)為d=1×10-2×344=1.72 cm.

　　3.2 超聲波發(fā)生子程序和接收子程序

　　超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送超聲波換能器所需的40kHz的方波信號（脈沖寬度為12μs左右），同時把計數(shù)器TO打開進行計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。

　　超聲波接收子程序利用外部中斷O檢測返回超聲波，一旦接收到返回超聲波信號（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷服務(wù)子程序，關(guān)閉定時器TO停止計時，并將測距成功標(biāo)志位賦值1.如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則說明障礙物過遠(yuǎn)，超出量程，將關(guān)閉外部中斷，并標(biāo)志此次測距不成功。

　　最大測試距離將取決于：兩次脈沖群發(fā)送之間的最小時間間隔和脈沖的能量。一般來說，發(fā)射端脈沖個數(shù)越多，能量越大，所能測量的距離也越遠(yuǎn)。但也不是無限制的，本方案是讀取定時器TO的計數(shù)值，最大能測試的距離是TO尚未溢出時檢測到超聲波回波信號，故在溫度20℃下，最大測試距離為。在一些周期性發(fā)射超聲波設(shè)備中，如果要測試的最大距離是10 m,則兩次脈沖群之間的最小時間為。

　　由于采用12 MHz的晶振，機器周期為1μs,當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計數(shù)器TO中的數(shù)值按式（1）計算，即可測得被測物與測距儀之間的距離，取20℃時的聲速為344 m/s.則有：

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　　其中，T為計數(shù)器TO的計數(shù)值。