基于单片机的高精度超声波测距电路

电子世界 2005 年 5 期27··单片机与可编程器件本文阐述了超声波测距原理，介绍了如何用单片机实现高精度超声波测距的具体电路，分析了其各单元工作原理，并给出了其程序流程图和源程序。超声波测距原理为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图 1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。在超声探测电路中，在发射端得到输出脉冲为一系列方波，这一系列方波的宽度为发射超声与接收超声的时间间隔，显然被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲的个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法：(1) 取输出脉冲的平均值电压，该电压( 电压的幅值基本固定) 与距离成正比，测量电压即可测得距离；(2) 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t 。因此，被测距离为S=1/ 2vt 。本测量电路采用第二种方案。由于超声波也是一种声波，其声速 C与温度有关，附表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。本方案以单片机 ATMEL 89C2051 为核心，通过对其进行软件编程，实现该单片机对其外围电路的适时控制，并提供给外围电路各种所需的信号，包括频率振荡信号、数据处理信号和译码显示信号等等，大大简化了外围电路的设计难度，同时更重要的是该种设计方案大大节省了设计成本，并且由于是采用软件编程技术，所以其移植性能好，在设计电路时可以将其他更多的功能设计进去，而我们在设计电路板时就可以根据自己的设计目的焊接元件。该方案的整个硬件电路可用图2所示的方框图表示，图3为基于单片机的超声波测距电路原理图。超声波发射电路1. 频率产生电路本电路中共用到了两个重要的频率，为了实现输出频率的精确性，在设计时用到了单片机，因为这一部分（频率产生电路）是整个电路的核心，由单片机产生的频率必须准确，否则测得的距离显示会产生很大误差，笔者在考虑总体方案时，也想到用一块单片集成电路（比如说 CMOS集成芯片 CD4046）来完成频率信号的产生以及分频工作，也完全可以实现电路的功能，但是要想实现高精度要求，难免有些困难，最后还是选择了用单片机来完成频率的产生工作。关于上述的这三个频率是如何由单片机产生的，请详见本文的“具体工作原理分析”部分。2. 门控电路（RS 触发器）为了在本超声波测距电路中实现对超声波发射和接收的自动控制，必须在电路中加入门控电路。下面结合图 3讲述一下该门控电路的作用。由S=1/ 2vt ，式中，v为声波在空气中的传播速度，它和空气的温度有关，温度每升高 1摄氏度声速增加0. 6m/s， 如果t已知，距离便可确定，如何测量时间t 呢？把输出脉冲作为一闸门信号，让已知频率fc的脉冲恰好能通过闸门，那基于单片机的高精度超声波测距电路· 牛余朋·图 1图 2电子世界 2005 年 5 期28··单片机与可编程器件么：t =NTc，式中，Tc为已知脉冲的周期；N为脉冲周期的个数或脉冲的个数。闸门信号与已知脉冲信号的关系如图4所示。在本电路设计中门控电路由 RS触发器来完成，而 RS触发器是用D触发器CD4013中的一个D触发器来完成。当R=1( S=0)时复位，即 Q=0；S=1( R=0) 时置位，即 Q=1, 在原理分析中，就利用它的这一特性。当上电复位时，D触发器 CD4013的 Q脚输出低电平加到单片机的P3. 3口，不启动内部计数器，处...