設(shè)計(jì)思路分析

本設(shè)計(jì)電路包括超聲波的發(fā)射和接收電路以及51單片機(jī)、LCD液晶顯示、紅外遙控、溫度采集等外圍輔助電路。通過編寫相應(yīng)的程序,可以使51單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作,實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際距離的測(cè)量,并將測(cè)量結(jié)果顯示在LCD液晶屏上等一系列功能。在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中,主要是對(duì)超聲波發(fā)射和接收的控制,以及對(duì)發(fā)射和接收時(shí)間的計(jì)算與處理。下面詳細(xì)介紹超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及過程。

1.什么是超聲波

超聲波是頻率高于⒛ kHz的聲波,為直線傳播方式,有很好的方向性,頻率越高,繞射能力越弱,但反射能力越強(qiáng),可以在空氣、水等介質(zhì)中遠(yuǎn)距離傳播,可用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石和殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)方面有廣泛應(yīng)用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。

在空氣中,超聲波的衰減對(duì)頻率r很敏感,所以應(yīng)合理選擇超聲波頻率,一般在40kHz左右,頻率太高的超聲波在空氣中無法傳播開去。傳感器的工作頻率是測(cè)距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù),它直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損失、障礙物的反射損失和背景噪聲,并直接決定傳感器的尺寸。傳感器工作頻率的確定基于以下幾點(diǎn)考慮:

① 如果測(cè)距的能力要求很高,則聲波傳播損失就相對(duì)增加,由于介質(zhì)對(duì)聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比,因此為了減小聲波的傳播損失,就必須降低工作頻率。

② 工作頻率越高,相對(duì)同尺寸的換能器來說,傳感器的方向性越強(qiáng),測(cè)量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn),而且波長(zhǎng)短,尺寸分辨率高,“細(xì)節(jié)”容易辨識(shí)清楚,因此從測(cè)量復(fù)雜障礙物表面和測(cè)量精度來看,要求工作頻率提高。

③ 從傳感器設(shè)計(jì)角度看,工作頻率越低,傳感器尺寸越大,制造和安裝就越困難。

綜上所述,選擇測(cè)距儀的工作頻率為40kHz。這樣,傳感器方向性強(qiáng),且避開了噪聲,提高了信噪比,雖然傳播損失相對(duì)低頻來說有所增加,但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來困難。

2.發(fā)射脈沖寬度

發(fā)射脈沖決定了測(cè)距儀的測(cè)量盲區(qū),也影響測(cè)量精度,同時(shí)與信號(hào)的發(fā)射能量有關(guān)。減小發(fā)射脈沖寬度,可以提高測(cè)量精度,減小測(cè)量盲區(qū),但是同時(shí)也減小了發(fā)射能量,對(duì)接收回波不、利。最終采用短距離(2m內(nèi))發(fā)射⒛0us(8個(gè)40kHz方波脈沖)的發(fā)射脈沖寬度,長(zhǎng)距離(2m外)發(fā)射800us(32個(gè)40kHz方波脈沖)的發(fā)射脈沖寬度。同時(shí)單片機(jī)程序避開盲區(qū)。此時(shí),從接收回波信號(hào)幅度和測(cè)量盲區(qū)兩個(gè)方面來衡量脈沖寬度比較合適,并且接收準(zhǔn)確,響應(yīng)速度快。所以,在一般的長(zhǎng)距離測(cè)距時(shí),選擇800us的脈沖寬度。

3.超聲波測(cè)距的原理及測(cè)量方法

超聲波測(cè)距方法有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測(cè)距最為常見,它主要基于對(duì)超聲波測(cè)距回波信號(hào)進(jìn)行識(shí)別,采用模擬方法用電路來實(shí)現(xiàn),如圖1所示。

圖1 超聲波測(cè)距原理

測(cè)距原理是超聲波傳感器發(fā)出超聲波,在空氣中傳播至被測(cè)物,經(jīng)反射后由超聲波傳感器接收反射脈沖,測(cè)量超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間,在已知超聲波聲速的前提下,利用公式

當(dāng)被測(cè)距離S小于盲區(qū)距離h(h=2m), 即可計(jì)算傳感器與反射點(diǎn)之間的距離S,測(cè)量距離公式為

當(dāng)被測(cè)距離S>=h時(shí),d約等于S,即

4.對(duì)超聲波測(cè)量數(shù)據(jù)的處理

在整個(gè)超聲波測(cè)距系統(tǒng)中,單片機(jī)是系統(tǒng)的核心,它控制著整個(gè)系統(tǒng)的工作過程。單片機(jī)使超聲波發(fā)射模塊發(fā)射出40kHz頻率的信號(hào),經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出,同時(shí)該時(shí)刻啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)。該信號(hào)遇到障礙物反射后,被超聲波接收模塊采集到,通過對(duì)信號(hào)檢波放大,鎖相環(huán)對(duì)此信號(hào)鎖定,產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序,得出時(shí)間;再由系統(tǒng)軟件對(duì)該時(shí)間進(jìn)行計(jì)算、判別后,將相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果送至LCD液晶顯示電路進(jìn)行顯示。

硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制部分

本系統(tǒng)采用的是AT89C51高性能CMOS8位單片機(jī)。片內(nèi)含有8KB的可反復(fù)擦寫的程序存儲(chǔ)器和12B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)。器件采用Atmel公司高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn),兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng),片內(nèi)配置8位中央處理器(CPU)和Flash存儲(chǔ)單元。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心,指揮著整個(gè)系統(tǒng)的工作。在該系統(tǒng)中,用到了單片機(jī)上的硬件資源有:I/O口、定時(shí)器、串口和中斷等。該系統(tǒng)中,單片機(jī)的硬件電路如圖3所示。

圖2 單片機(jī)的硬件電路

超聲波模塊部分

HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供 2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)

距精度可達(dá)高到 3mm;模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。

基本工作原理：

(1)采用IO 口TRIG 觸發(fā)測(cè)距，給最少10us 的高電平信呈。

(2)模塊自動(dòng)發(fā)送8 個(gè)40khz 的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回;

(3)有信號(hào)返回，通過IO 口ECHO 輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲

波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2;

LCD顯示部分

本系統(tǒng)中的LCD采用的是1602字符液晶模塊,能夠同時(shí)顯示16字×2行即32個(gè)字符。1602液晶模塊的控制器采用的是HD44780。1602液晶模塊的引腳說明如表1所列。

表1 LCD1602液晶顯示模塊功能表

根據(jù)表1的1602引腳表就可以很容易地設(shè)計(jì)出LCD顯示的硬件電路了,LCD1602液晶顯示模塊的硬件電路如圖3所示。

圖3 LCD1620液晶顯示模塊的硬件電路

軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)一樣,可以把整個(gè)系統(tǒng)按功能劃分成不同的模塊來設(shè)計(jì),這樣便于軟件的編寫和管理,同時(shí)也便于系統(tǒng)調(diào)試。在本系統(tǒng)中,可將整個(gè)系統(tǒng)劃分為以下幾個(gè)功能模塊:主程序、紅外遙控接收子程序、溫度檢測(cè)子程序、超聲波發(fā)射子程序超聲波接收中斷以及計(jì)算顯示子程序。整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的軟件流程圖

PCB圖如圖5所示：

圖5 超聲波測(cè)距儀PCB圖

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