基于單片機控制的超聲波測距報警系統

0 引言

超聲波具有定向性好、能量集中、在傳輸過程中衰減較小、反射能力較強等優點，超聲波傳感器可廣泛應用于非接觸式檢測方法，因而采用仿真技術進行超聲波測距。

目前國內的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量準確度。通過分析超聲波測距誤差產生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92 溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，設計的高準確度超聲波測距儀能達到毫米級的測量準確度。

1 超聲波測距報警系統基本原理

如圖1 所示，使單片機可接收超聲波模塊輸出的距離信號，并對其進行合理的處理后，在顯示模塊上實時顯示超聲波模塊與障礙物的距離。

圖1 系統連接示意

單片機發出40 kHz 的方波信號，經放大后通過超聲波發射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經放大器放大，用鎖相環電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t.

再通過軟件編程進行判別、計算，得出所測距離值并由LED 數碼管顯示，其原理框圖如圖2。

圖2 超聲波測距儀原理框圖

發射器發出的超聲波以速度v 在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為t.由公式：測出的距離 L （m） = 常溫下的聲速340 （m/s）× 感應時間t （s） / 2,算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v 與溫度有關，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距準確度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以修正。

2 系統硬件設計

2.1 超聲波測距原理

單片機在 T0 時刻發射方波，同時啟動定時器開始計時，當收到回波后，產生一個負跳變到單片機中端口，單片機響應中斷程序，定時器停止計數。計算時間差，即可得到超聲波在介質中傳播的時間t ,由此便可計算出距離。其時序圖如圖3 所示。

圖3 超聲波時序圖

2.2 硬件電路

硬件電路的設計主要包括單片機系統及顯示電路、超聲波發射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用STC89C51 或其兼容系列。采用12 MHz 高準確度的晶振，以獲得較穩定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P2.4 端口輸出超聲波換能器所需的40 kHz 的方波信號，利用外中斷0 口監測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的4 位共陽LED 數碼管，段碼用程序驅動，位碼用PNP 三極管驅動。

2.3 各主要模塊的硬件

STC89C51 芯片引腳與封裝如圖4 所示。

圖4 STC89C51 引腳

引腳功能說明：

（1）VCC:電源電壓。

（2）GND:接地。

（3）RST:復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST 腳兩個機器周期的高電平時間。

（4）/EA/VPP:當/EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。

（5）XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。

（6）XTAL2:來自反向振蕩器的輸出。

（7）P0 口：P0 口為一個8 位漏級開路雙向I/O 口，也即地址/ 數據總線復用口。作為輸出口用時，每腳可吸收8TTL 門電流。

（8）P1 口：P1 口是一個內部提供上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P1 口緩沖器能吸收或輸出4TTL門電流。

（9）P2 口：P2 口為一個內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 口緩沖器可吸收或輸出4 個TTL門電流，當P2 口被寫"1"時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。

（10）P3 口：P3 口管腳是8 個帶內部上拉電阻的雙向I/O 口，可吸收或輸出4 個TTL 門電流。