基于單片機的超聲波測距系統的設計

摘要：基于超聲波實現無接觸式測距原理，介紹了一種基于單片機控制的超聲波測距系統的設計方法。由單片機軟件產生40kHz超聲波，并測量回波時間，可精確到us級。為提高測距精度，采取了溫度補償、角度補償措施。實驗表明系統具有較高的測量精度和實用價值。
關鍵詞：起聲波；測距；單片機

O 引言
超聲波是指頻率大于20 kHz的在彈性介質中產生的機械震蕩波。由于超聲波頻率較高，穿透力強，指向性強，傳輸過程中衰減少，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，遇到雜質或分界面時會產生反射波，因此常被用于非接觸式測距。并且超聲波對光線、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。廣泛應用于汽車倒車、機器人避障、工業測井、水庫液位測量、管道長度測量等需要自動進行非接觸測距的場合。

1 超聲波測距原理
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射超聲波至接收回波所經歷的射程時間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

其中。c為聲波在空氣介質中的傳播速度。

2 系統構成
本系統硬件電路由單片機、超聲波發射電路、超聲波接收電路、測溫電路、顯示電路、報警電路等構成，如圖1所示。

3 系統程序設計
3．1 主程序
主程序首先對系統環境初始化，設置定時器TO工作模式為16位定時／計數器模式，總中斷允許位置1并給顯示端口清0；然后調用超聲波發生子程序送出若干個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發射器直接傳送到接收器引起直射渡觸發，從發射開始一直到“虛假反射波”結束這段時間內，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”。假設延時約0．1 ms后，才打開外部中斷接收返回的超聲波信號，當溫度為20℃，測量盲區為d=1×10-2×344=1．72 cm。
3．2 超聲波發生子程序和接收子程序
超聲波發生子程序的作用是通過P1．0端口發送超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(脈沖寬度為12μs左右)，同時把計數器TO打開進行計時。超聲波發生子程序較簡單，但要求程序運行準確，所以采用匯編語言編程。