基于单片机的超声波测距仪

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1、在日常生产生活中,很多场合如汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量等需要自动进行非接触测距。超声波是指频率大于20kHz的在弹性介质中产生的机械震荡波,其具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离相对较远等特点,因此常被用于非接触测距。由于超声波对光线、色彩和电磁场不敏感,因此超声波测距对环境有较好的适应能力,此外超声波测量在实时、精度、价格也能得到很好的折衷。通过超声波发射装置发出超声波,根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。这与雷达测距原理相似。超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超

2、声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。(超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:s=340t/2)系统总体设计方案  本系统由超声波发射、回波信号接收、温度测量、显示和报警、电源等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。系统原理框图,如图1所示。  整个系统由单片机AT89S52控制,超声波传感器采用收发分体式,分别是一支超声波发射换能器TCT40-16T和一支超声波接收换能器TCT40-16R。超声波信号通过超

3、声波发射换能器发射至空气中,遇被测物反射后回波被超声波接收换能器接收。进行相关处理后,输入单片机的INT0脚产生中断,计算中间经历的时间,同时再根据具体的温度计算相应的声速,根据式(2)就可得出相应的距离用来显示,当然在一些场合也可根据需要,设置距离报警值。  3硬件设计  3.1超声波发射部分  超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT40-16T能向外界发出40kHz左右的方波脉冲信号。40kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法:采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出,本系统采用后者。编程由单

4、片机P1.0端口输出40kHz左右的方波脉冲信号,由于单片机端口输出功率不够,40kHz方波脉冲信号分成两路,送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远,满足测量距离要求,最后送给超声波发射换能器TCT40-16T以声波形式发射到空气中。发射部分的电路,如图2所示。图中输出端上拉电阻R31,R32,一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力,另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果,缩短其自由振荡的时间。 3.2超声波接收部分  上述TCT40-16T发射的在空气中传播,遇到障碍物就会返

5、回,超声波接收部分是为了将反射波(回波)顺利接收到超声波接收换能器TCT40-16R进行转换变成电信号,并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后,这里用索尼公司生产的集成芯片CX20106,得到一个负脉冲送给单片机的P3.2(INT0)引脚,以产生一个中断。接收部分的电路,如图3所示。  可以看到,集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片,其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点,由于红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz

6、比较接近,而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0五可由其5脚外接电阻调节,阻值越大中心频率越低,范围为30~60kHz。故本次设计用它来做接收电路。CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。工作过程如下:接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器,将信号调整到合适幅值的矩形脉冲,由滤波器进行频率选择,滤除干扰信号,再经整形,送给输出端7脚。当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时,其输出端7脚就输出低电平,而输出端7脚直接接到.AT89S52的INT0引脚

7、上,以触发中断。若频率有一些误差,可调节芯片引脚5的外接电阻R42,将滤波器的中心频率设置在40kHz,就可达到理想的效果。  3.3其他主要电路  (1)温度测量部分。  由于声音的速度在不同的温度下有所不同,为提高系统的精度,采用了温度补偿功能。这里采用的主要元器件是是美国Dallas半导体公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20,其具有精度高、智能化、体积小、线路简单等特点。将DS18B20数据线与单片机的P1.1口相连,就可以实现温度测量,如图4所示。  (2)LCD显示部分。  本设计显示部分采用字符型TC

8、1602液晶显示所测距离值。TC1602显示的容量为2行16个字。液晶显示屏有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸多优点,与数码管相比,显得更专业、美观。使用时,可将P0与LCD的数据线相连,P2口与LCD的控制线相连,如图5所示。其中,TC1602第4脚RS为寄存器选择,第5脚RW为读写信号线,第6

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1、在日常生产生活中,很多场合如汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量等需要自动进行非接触测距。超声波是指频率大于20kHz的在弹性介质中产生的机械震荡波,其具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离相对较远等特点,因此常被用于非接触测距。由于超声波对光线、色彩和电磁场不敏感,因此超声波测距对环境有较好的适应能力,此外超声波测量在实时、精度、价格也能得到很好的折衷。通过超声波发射装置发出超声波,根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。这与雷达测距原理相似。超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超

2、声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。(超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:s=340t/2)系统总体设计方案  本系统由超声波发射、回波信号接收、温度测量、显示和报警、电源等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。系统原理框图,如图1所示。  整个系统由单片机AT89S52控制,超声波传感器采用收发分体式,分别是一支超声波发射换能器TCT40-16T和一支超声波接收换能器TCT40-16R。超声波信号通过超

3、声波发射换能器发射至空气中,遇被测物反射后回波被超声波接收换能器接收。进行相关处理后,输入单片机的INT0脚产生中断,计算中间经历的时间,同时再根据具体的温度计算相应的声速,根据式(2)就可得出相应的距离用来显示,当然在一些场合也可根据需要,设置距离报警值。  3硬件设计  3.1超声波发射部分  超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT40-16T能向外界发出40kHz左右的方波脉冲信号。40kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法:采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出,本系统采用后者。编程由单

4、片机P1.0端口输出40kHz左右的方波脉冲信号,由于单片机端口输出功率不够,40kHz方波脉冲信号分成两路,送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远,满足测量距离要求,最后送给超声波发射换能器TCT40-16T以声波形式发射到空气中。发射部分的电路,如图2所示。图中输出端上拉电阻R31,R32,一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力,另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果,缩短其自由振荡的时间。 3.2超声波接收部分  上述TCT40-16T发射的在空气中传播,遇到障碍物就会返

5、回,超声波接收部分是为了将反射波(回波)顺利接收到超声波接收换能器TCT40-16R进行转换变成电信号,并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后,这里用索尼公司生产的集成芯片CX20106,得到一个负脉冲送给单片机的P3.2(INT0)引脚,以产生一个中断。接收部分的电路,如图3所示。  可以看到,集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片,其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点,由于红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz

6、比较接近,而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0五可由其5脚外接电阻调节,阻值越大中心频率越低,范围为30~60kHz。故本次设计用它来做接收电路。CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。工作过程如下:接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器,将信号调整到合适幅值的矩形脉冲,由滤波器进行频率选择,滤除干扰信号,再经整形,送给输出端7脚。当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时,其输出端7脚就输出低电平,而输出端7脚直接接到.AT89S52的INT0引脚

7、上,以触发中断。若频率有一些误差,可调节芯片引脚5的外接电阻R42,将滤波器的中心频率设置在40kHz,就可达到理想的效果。  3.3其他主要电路  (1)温度测量部分。  由于声音的速度在不同的温度下有所不同,为提高系统的精度,采用了温度补偿功能。这里采用的主要元器件是是美国Dallas半导体公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20,其具有精度高、智能化、体积小、线路简单等特点。将DS18B20数据线与单片机的P1.1口相连,就可以实现温度测量,如图4所示。  (2)LCD显示部分。  本设计显示部分采用字符型TC

8、1602液晶显示所测距离值。TC1602显示的容量为2行16个字。液晶显示屏有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸多优点,与数码管相比,显得更专业、美观。使用时,可将P0与LCD的数据线相连,P2口与LCD的控制线相连,如图5所示。其中,TC1602第4脚RS为寄存器选择,第5脚RW为读写信号线,第6

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