超聲波測距板學(xué)習(xí)板

超聲波測距學(xué)習(xí)板，可應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長度的測量等場合。要求測量范圍在0.27~4.00m，測量精度1cm，測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果。

超聲波測距原理

超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波本時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，就成為超聲波接收器。在超聲探測電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時間間隔，被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。超聲測距大致有以下方法：① 取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 (其幅值基本固定 )與距離成正比，測量電壓即可測得距離；② 測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t，故被測距離為 S=1／2vt。本測量電路采用第二種方案。由于超聲波 的聲速 與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速基本不變。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通 過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計時，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。

超聲波學(xué)習(xí)板采用AT89C51或AT89S51單片機(jī),晶振:12M,單片機(jī)用P1.0口輸出超聲波換能器所需的40K方波信號,利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號,顯示電路采用簡單的4位共陽LED數(shù)碼管,斷碼用74LS245,位碼用8550驅(qū)動.

超聲波測距的算法設(shè)計: 超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15℃時）。X2是聲波返回的時刻，X1是聲波發(fā)聲的時刻，X2-X1得出的是一個時間差的絕對值，假定X2-X1=0.03S，則有340m×0.03S=10.2m。由于在這10.2m的時間里，超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離，

超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示：

超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示：

超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示：

硬件部分

超聲波學(xué)習(xí)板采用AT89C51或AT89S51單片機(jī),晶振:12M,單片機(jī)用P1.0口輸出超聲波換能器所需的40K方波信號,利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號,顯示電路采用簡單的4位共陽LED數(shù)碼管,斷碼用74LS245,位碼用8550驅(qū)動.主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分組成。采用AT89S51來實現(xiàn)對CX20106A紅外接收芯片和TCT40-10系列超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)通過P1.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。

1.單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路

單片機(jī)采用89S51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波轉(zhuǎn)化器所需的40KHz方波信號，利用外中斷0口檢測超聲波接受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(shù)碼管，段碼用74LS245驅(qū)動，位碼用PNP三極管驅(qū)動。單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路如下圖所示.

超聲波發(fā)射電路原理圖

超聲波接收電路:

使用CX20106A集成電路對接收探頭受到的信號進(jìn)行放大、濾波。其總放大增益80db。以下是CX20106A的引腳注釋。

1腳：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。

2腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R1或減小C1,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C1的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R1=4.7Ω，C1=1μF。

3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為3.3μf。

4腳：接地端。

5腳：該腳與電源間接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200kΩ時，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，則中心頻率f0≈38kHz。

6腳： 該腳與地之間接一個積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。

7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，推薦阻值為22kΩ，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時則產(chǎn)生下降。

8腳：電源正極，4.5～5V。

超聲波測距學(xué)習(xí)成品板

產(chǎn)品性能特點：

成品板上自帶：超聲波收發(fā)傳感器、接收放大電路、四位LED數(shù)碼顯示、四位按鍵，電源部分自帶整流、濾波、穩(wěn)壓電路，允許交流7～15V或者直流9～16V輸入，經(jīng)過實際測試，測量范圍可達(dá)27～300厘米，測量精度為1厘米。因為我們能提供完整的源程序，客戶不但可以學(xué)習(xí)超聲波測距的知識，還可以直接將這項技術(shù)用于產(chǎn)品開發(fā)，是不可多得的資料。

下圖是超聲波測距學(xué)習(xí)板的元件布局圖，

軟硬件調(diào)試及性能

超聲波測距儀的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用Φ16的超聲波換能器，中心頻率為40kHz，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C6的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。

硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運行。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.07～5.5m，測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實際使用的測量要求。

后續(xù)工作需實驗后才能驗證

根據(jù)參考電路和集成的電路器件測距范圍有限10m以內(nèi)為好。

附錄1 超聲波測距儀匯編和C51混合編程源程序

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

#define ulong unsigned long

extern void cs_t(void);

extern void delay(unit);

extern void display(uchar*);

data uchar testok;

void main(void)

{

data uchar dispram[5];

data uint i;

data ulong time;

P0=0xff;

P2=0xff;

TMOD=0x11;

IE=0x80;

while(1)

{

cs_t();

delay(1);

testok=0;

EX0=1;

ET0=1;

while(!testok)display(dispram);

if(1==testok)

{

time=TH0;

time=time<<8|TL0;

time*=172;

time/=10000;

dispram[0]=(uchar)(time);

time/=10;

dispram[1]=(uchar)(time);

time/=10;

dispram[2]=(uchar)(time);

dispram[3]=(uchar)(time/10);

if(0==dispram[3])dispram[3]=17;

}else

{

dispram[0]=16;

dispram[1]=16;

dispram[2]=16;

dispram[3]=16;

}

for(i=0;i<300;i++) display(dispram);

}

}

void cs_r(void) interrupt 0

{

TR0=0;

ET0=0;

EX0=0;

testok=1;

}

void overtime(void) interrupt 1

{

EX0=0;

TR0=0;

ET0=0;

testok=2;

}

;

;----------------------------

;超聲發(fā)生子程序（12MHz晶振38.5Hz)

;----------------------------

NAME CS_T

?PR?CS_T?CS_TSEGMENTCODE

PUBLICCS_T

RSEG ?PR?CS_T?CS_T

CS_T:PUSH ACC

MOV TH0,#00H

MOV TL0,#00H

MOV A,#4D

SETB TR0

CS_T1: CPL P1.0

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

DJNZ ACC,CS_T1

POP ACC

RET

;

END

;

;------------------------

;四位共陽LED動態(tài)掃描顯示程序*/

;p0為段碼口，p2為位選口（高電平有效0)

;參數(shù)為要顯示的字符串指針

;--------------------------------

NAME DISPLAY

?PR?_DISPLAY?DISPLAYSEGMENTCODE

?CO?_DISPLAY?DISPLAYSEGMENTDATA

EXTRN CODE (_DELAY)

PUBLIC_DISPLAY

RSEG ?CO?_DISPLAY?DISPLAY

?_DISPLAY?BYTE:

DISPBIT:DS 1

DISPNUM:DS 1

RSEG ?PR?_DISPLAY?DISPLAY

_DISPLAY: PUSHACC

PUSH DPH

PUSH DPL

PUSH PSW

INCDISPNUM

MOVA,DISPNUM

CJNE A,#4D,DISP1

DISP1:JC DISP2

MOVDISPNUM,#00H

MOVDISPBIT,#0FEH

DISP2: MOV A,R1

ADDA,DISPNUM

MOV R0,A

MOVA,@R0

MOVDPTR,#DISPTABLE

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

MOVA,DISPNUM

CJNE A,#2D,DISP3

CLR P0.7

DISP3: MOVP2,DISPBIT

MOVR6,#00H

MOVR7,#0AH

LCALL _DELAY

MOVP0,#0FFH

MOVP2,#0FFH

MOVA,DISPBIT

RL A

MOVDISPBIT,A

POP PSW

POP DPL

POP DPH

POP ACC

RET

DISPTABLE:DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0BFH,0FFH

;"0","1","2","3","4","5","6","7","8","9","A","B","C","D","E","F","-",""

END

;

;-------------------------------

;延時100機(jī)器周期*參數(shù)(1~65535)

;--------------------------------

NAME DELAY

?PR?_DELAY?DELAYSEGMENTCODE

PUBLIC_DELAY

RSEG ?PR?_DELAY?DELAY

_DELAY:PUSH ACC ;2

MOVA,R7 ;1

JZ DELA1 ;2

INCR6 ;1

DELA1: MOVR5,#50D ;2

DJNZR5,$ ;2

DJNZR7,DELA1 ;2

DJNZR6,DELA1 ;2

POP ACC

RET

;

END

超聲波測距學(xué)習(xí)板全部元件清單：

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