1、超聲波測儀的設(shè)計(jì)基于 AT89C52 超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)吳興波，李明*（吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022）摘要本設(shè)計(jì)基于單片機(jī) 的超聲波測距系統(tǒng)重點(diǎn)闡述了該系統(tǒng)硬件 電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并利用溫度檢測電路有效消除了環(huán)境溫度變化對(duì)傳播速度的影響；在盲區(qū)消隱方面， 通過在軟件上采用延遲接收技術(shù)有效消除了串繞信號(hào)進(jìn)一步提高了撿測的精 度及靈敏度。關(guān)鍵詞：AT89C52超聲波 SPI 通信協(xié)議中圖分類號(hào)：TP23超聲波技術(shù)在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用例如探傷技術(shù)清洗技術(shù)測距技 術(shù)等等超聲波測距多應(yīng)用于汽車倒車?yán)走_(dá)建筑工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位 置監(jiān)控如液位井深的測量等場合超聲波測距

2、是一種傳統(tǒng)而實(shí)用的非接觸測量 方法和激光渦流和無線電測距方法相比具有不受外界光及電磁場等因素影 響的優(yōu)點(diǎn)，在惡劣環(huán)境中也具有一定的適應(yīng)能力，且結(jié)構(gòu)簡單，成本低，因此在 工業(yè)控制、建筑測量、機(jī)器人定位方面得到了廣泛的應(yīng)用。1 超聲波測距原理超聲波測距的基本工作原理是測量超聲波在空氣中的傳播時(shí)間超聲波傳播 時(shí)間和傳播速度來確定距離障礙物的距離即所謂的脈沖回波方式該方式 的基本電路框圖如圖 1 所示。由發(fā)射傳感器、發(fā)射電路、接收傳感器、接收放大 電路、回波信號(hào)處理電路和單片機(jī)控制電路等幾部分組成。單片機(jī)發(fā)射電路信號(hào)處理接收電路 圖 1 基本電路框圖1 / 7發(fā)射電路通常是一個(gè)工作頻率為 kHz，可由

3、 555 時(shí)基集成電路或其他電路 構(gòu)成。本設(shè)計(jì)用單片機(jī)產(chǎn)生一定數(shù)量的 40 kHz 發(fā)射脈沖(通常為 5 個(gè))，用 于驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射傳感器激勵(lì)出超聲波在空氣中傳播礙物反射而返回。 超聲波接收傳感器通過壓電轉(zhuǎn)換的原理由障礙物返回的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電 信號(hào)，由于該信號(hào)幅度較小(幾到十幾毫伏)因此須由低噪聲放大、40 kHz 帶 通濾波電路將回波信號(hào)放大到一定幅度且干擾成分較少并由回波信號(hào)處理電 路轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，送至單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間測量和距離的顯示。單片機(jī)根據(jù)脈沖發(fā)射時(shí)間和接收到回波的時(shí)間計(jì)算出時(shí)間差 即超聲波在空 氣中傳播的時(shí)間，并由式(1)：S=c*t/2(1) 計(jì)算出距離 S，式中參數(shù) c

4、是超聲波在空氣中的傳播速度，由于在不同溫度 情況下超聲波在空氣中傳播速度差異較大，因而設(shè)置一溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)修 正，具體實(shí)現(xiàn)方法見下文。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能框圖本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、 發(fā)射放大電路模塊、接收放大 濾波電路模塊溫度補(bǔ)償模塊蜂鳴報(bào)警模塊以及液晶顯示模塊等模塊構(gòu)成本 系統(tǒng)的方框圖如圖 2-1 所示：NOKIA5110 顯 5V 電 MAX232 發(fā)射放大電路 AT89C52 溫度補(bǔ)償接收放大電路 圖 2-1 超聲波測距儀的系統(tǒng)框圖AT89C52 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù) 擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 256 b

5、ytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（），器 件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 令系 統(tǒng)片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元功能強(qiáng)大的 AT89C52 片機(jī) 可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。AT89C52 單片機(jī)是主控芯片，用其控 制顯示、鍵盤掃描、報(bào)警、超聲波的發(fā)射機(jī)接收的控制。3 硬件設(shè)計(jì)3.1 MAX232 發(fā)射電路設(shè)計(jì) 芯片是美信公司專門為電腦 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換 芯片,使用+5v 單電源供電。MAX232 多用于串口通信，起到電平轉(zhuǎn)換的作用，而2 / 7本設(shè)計(jì)只用到其電平轉(zhuǎn)換，將 40kHz 的方波由 轉(zhuǎn)換成 2

6、0V，提高發(fā)射功率。 發(fā)射如圖 3-1 所示：圖 3-1 超聲波發(fā)射電路圖超聲波在空氣中傳播功率及精度與頻率成正比較和分幾個(gè)常用超聲波頻率 的特點(diǎn)，最終選取頻率為 。為了便于超聲波的發(fā)射和接收，超聲波發(fā)射頭 采用共振頻率為 40kHz 的 TCT40-16 探頭，接收頭采用 。由單片機(jī)端口 輸出 40kHz 間斷兩路反相方波，此時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，信號(hào)經(jīng) 電平轉(zhuǎn)換芯片送到超聲波換能器 的兩個(gè)電極，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。3.2 接收電路設(shè)計(jì)超聲波接收電路基本思想是將接收到的回波信號(hào)先經(jīng)過前置放大器和限幅放 大器，將信號(hào)調(diào)整到合適的幅值，再將放大后的信號(hào)整形，送回單片機(jī)。由于接 收到的方波頻率為

7、 40kHz 左右所以普通的運(yùn)算放大器很難采集到因此我們采 用 MX4167 高速運(yùn)算放大器MX4167 里面含有兩路，回波信號(hào)通過第一路將被放 大 20 多倍，再通過第二路放大 1 到 5 倍，也就是將回波信號(hào)放大 100 多倍。而 第二路的反饋電阻由數(shù)字電位器控制以根據(jù)采集到的方波的強(qiáng)弱來改變數(shù)字 電位器的阻值從而達(dá)到改變放大倍數(shù)再將放大后的方波通過二極管進(jìn)行峰值 檢波并通過電容檢波濾波積分電路進(jìn)行過濾，發(fā)光二極管 的限流電阻與 2K 電阻一起組成脈動(dòng)信號(hào)的輸出內(nèi)阻。接收電路圖如圖 所示。圖 3-2 超聲波接收電路圖3.3 Nokia5110 顯示設(shè)計(jì)Nokia5110 LCD 支持多種串

8、行通信協(xié)議，我們采用 通信協(xié)議。 總線系 統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口可以使 MCU 與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信 以交換信息SPI 總線系統(tǒng)一般使用 4 條線串行時(shí)鐘線 SCK主機(jī)輸入/從機(jī)輸 出數(shù)據(jù)線 MISO機(jī)輸出從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線 MOSI 和低電平有效的從機(jī)選擇線 CS。3 / 7SPI 的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一 個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要至少 4 根線，事實(shí)上 根也可以（單向傳輸時(shí)）。其中 CS 是控制芯片是否被選中的，也就是說只有片選信號(hào)為預(yù)先規(guī)定的使能信號(hào)時(shí) （高電位或低電位對(duì)此芯片的操作才有效這就允許在同一總線上連接多個(gè) SPI 設(shè)備成為可能下來

9、就負(fù)責(zé)通訊的 3 根線了訊是通過數(shù)據(jù)交換完成的， 這里先要知道 SPI 是串行通訊協(xié)議也就是說數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)倪@就是 SCK 時(shí)鐘線存在的原因，由 SCK 提供時(shí)鐘脈沖， 和 SDO 則基于此脈沖完成數(shù) 據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過 SDO 線，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿時(shí)改變，在緊接著 的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在 至少 8 次時(shí)鐘信號(hào)的改變(上沿和下沿為一次就可以完成 8 位數(shù)據(jù)的傳輸具 體電路圖如圖 3-3 所示。圖 3-3 Nokia5110 顯示電路圖要注意的是，SCK 信號(hào)線只由設(shè)備控制，從設(shè)備不能控制信號(hào)線。同樣，在 一個(gè)基于 SPI 的設(shè)備

10、中至少有一個(gè)主控設(shè)備這樣傳輸?shù)奶攸c(diǎn)這樣的傳輸方 式有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少 位數(shù)據(jù)而 SPI 允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送甚至允許暫停因?yàn)?時(shí)鐘線由主 控設(shè)備控制，當(dāng)沒有時(shí)鐘跳變時(shí)，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。也就是說，主設(shè)備 通過對(duì) SCK 時(shí)鐘線的控制可以完成對(duì)通訊的控制。 還是一個(gè)數(shù)據(jù)交換協(xié)議： 因?yàn)?SPI 的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨(dú)立，所以允許同時(shí)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。 不同的 SPI 設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式盡相同Nokia5110 LCD SPI 通信協(xié)議中的 SDO 省去，而增加了 D/C（模式選擇）、RST（復(fù)位）、SEN（使能）。其驅(qū)動(dòng)時(shí)序如 圖 3-4 所示

11、。圖 3-4 Nokia5110 驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖3.4 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)4 / 7由于超聲波的聲速和溫度有關(guān)，如果溫度變化不是很大，認(rèn)為聲速基本不變。 如果測距精度要求很高那么可以通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉砑右孕Ｕ煌瑴囟认?超聲波在空氣中的傳播速度隨溫度變化關(guān)系如表 。表 3-1 聲速與溫度的關(guān)系溫度 聲速-30 313-10 3180 32510 33820 34430 348100 386為了克服外界溫度環(huán)境的干擾，我們采用數(shù)字溫度傳感 DS18B20，獨(dú)特的一 線接口，只需要一條口線通信多點(diǎn)能力。溫度傳感器可編程的分辨率為 位 溫度轉(zhuǎn)換為 12 位數(shù)字格式最大值為 750 毫秒，描述該 的數(shù)字溫度計(jì)

12、提 供 9 至 12 位（可編程設(shè)備溫度讀數(shù)。信息被發(fā)送/從 DS18B20 通過 1 線接口， 所以單片機(jī)與 DS18B20 只有一個(gè)一條口線連接讀寫以及溫度轉(zhuǎn)換可以從數(shù)據(jù) 線本身獲得能量，不需要外接電源。 因?yàn)槊恳粋€(gè) DS18B20 的包含一個(gè)獨(dú)特的序 號(hào)，多個(gè) DS18B20 可以同時(shí)存在于一條總線。其硬件電路如圖 所示。圖 3-5 DS18B20 電路圖單片機(jī)通過 DS18B20 采集到溫度并將當(dāng)時(shí)的溫度轉(zhuǎn)換成速度其轉(zhuǎn)換公式如 下：5 / 7(2)V = 331.4 + 0.61T 4 程序設(shè)計(jì) 4.1 程序路程圖其中，T 為實(shí)際溫度；V 的單位為 m/s開始初始化外部中斷 定時(shí)器 T

13、1Flag=0 生 8 個(gè) 40KHzPWM 開外部中斷 0及定時(shí)器 T1 外部中斷入口關(guān)外部中斷 定時(shí)器 時(shí)間及溫度采集否延時(shí)等待 Flag=1？是數(shù)據(jù)處理并顯示 Flag=1 外部中斷返回關(guān)外部中斷 T0關(guān)定時(shí)器 T1 并清零圖 4-1 主程序流程圖圖 4-2 外部中斷子程序首先，系統(tǒng)初始化單片機(jī)的外部中斷 、定時(shí)器 T1 的工作方式，讓 計(jì)時(shí)， 外部中斷 0 接收回波的下降沿當(dāng)超聲波發(fā)射出 個(gè) 40KHz 的 PWM 波后啟動(dòng)外 部中斷 0 及定時(shí)器 T1，等待是否收到回波，當(dāng)接收到回波則進(jìn)入外部中斷子程 序，進(jìn)行時(shí)間及溫度的采集，并 Flag 置一，如 Flag 為一，則根據(jù)時(shí)間和速

14、度的關(guān)系計(jì)算出距離并將其顯示否則重新發(fā)送流程如圖 圖 4-2 所示。5 結(jié)論本系統(tǒng)解決了溫度變化帶來超聲波測距精度不高以及距離不遠(yuǎn)等問題。能 達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)的基本要求此外整機(jī)系統(tǒng)智能化具有蜂鳴報(bào)警提示和液晶屏 顯示功能體現(xiàn)人性化使用起來非常方便一系統(tǒng)可以安裝在各種汽車尾部， 用于倒車監(jiān)測車后障礙物情況，功能良好，效果顯著。參考文獻(xiàn)：6 / 7【1】牛余朋，成曙基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)J兵工自動(dòng)化， 2005(4):77-79 【2】吳山，聶惠娟，吳東芳，等智能超聲波測距系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)J河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版；【3榮怡倩 在溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用機(jī) 化研究2005(1)： 224226 【4賈莉娜

15、. 高精度的超聲波測距系統(tǒng)在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航方面的應(yīng) 用J. 計(jì)量與測試技術(shù) ,2004(9):23-26.【5童詩白華成英.模擬電子技術(shù)基（第四版華大學(xué)電子教研組 【6】 俞志根 等編著. 傳感器與檢測技術(shù)(第二版. 科學(xué)出版社出版Design of Ultrasonic Distance Testing System Based on AT89C52 Singlechip Microcomputer(College of Information & Engeering,Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin City 132022,China

16、)Abstract: The design is based on AT89C52 microcontroller ultrasonic ranging of the system and software design, and the temperature detection circuit effectively eliminate the use of environmental temperature on the propagation velocity; in the blind spot blanking, through the software using delay receiving