王鑫彤
遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院
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基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)
王鑫彤
遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院
本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng),通過(guò)該系統(tǒng)可以說(shuō)明單片機(jī)的應(yīng)用廣泛,而且還可以進(jìn)一步了解,掌握單片機(jī)的開(kāi)發(fā)方法。本文主要是圍繞著超聲測(cè)距系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理,硬件設(shè)計(jì)電路以及軟件程序設(shè)計(jì)方面進(jìn)行論述的,并且在軟件程序?qū)崿F(xiàn)部分給出了部分的流程圖。超聲測(cè)距系統(tǒng)在很多領(lǐng)域中有著重要的意義。
單片機(jī) 超聲 測(cè)距
傳統(tǒng)的測(cè)距儀器一般選擇的是超聲波,雷達(dá)以及激光等,然而由于如果采用雷達(dá)和激光進(jìn)行測(cè)距的話就會(huì)增加成本的預(yù)算,因此這兩種儀器的使用并沒(méi)有得到廣泛的推廣與運(yùn)用,除此之外,雷達(dá)和激光對(duì)一些領(lǐng)域是存在著限制性的,主要是用在軍事方面比較多。在這種情況下,超聲波的測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,這種系統(tǒng)的成本投入比較多,而且容易實(shí)現(xiàn),另外系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)方面相對(duì)其他儀器而言比較簡(jiǎn)單,此外考慮到超聲波可以在傳播的期間實(shí)現(xiàn)不受煙霧等因素的影響,而且由于對(duì)待電磁場(chǎng)以及光線方面不是很敏感,因而用在黑暗的環(huán)境以及灰塵比較多的環(huán)境中比較適合,超聲波測(cè)距系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)在很多的領(lǐng)域中都可以發(fā)揮很大的實(shí)力,應(yīng)用的場(chǎng)合其中就包括了海洋測(cè)量以及工業(yè),建筑領(lǐng)域方面。
超聲測(cè)距的原理涉及到了脈沖回波,脈沖回波的這一個(gè)概念誕生于1964年,主要的原理是通過(guò)用超聲的脈沖去激勵(lì)超聲的探頭,從而會(huì)發(fā)生向外輻射的現(xiàn)象,然后經(jīng)過(guò)反射后接收到的信號(hào)就是超聲波,也可以稱為是回波。記下超聲波出發(fā)的初始時(shí)間到接收到的時(shí)間這個(gè)過(guò)程的時(shí)間段設(shè)置為ToF。關(guān)于這個(gè)距離測(cè)量會(huì)受到很多因素的影響,比如傳輸過(guò)程中的溫度,壓強(qiáng)以及空氣中的密度等等。
時(shí)間的測(cè)量是否精確這對(duì)于系統(tǒng)而言是很重要的一部分,也是值得深究的一個(gè)問(wèn)題。要計(jì)算出時(shí)間就需要先對(duì)距離進(jìn)行計(jì)算,本文討論了兩種計(jì)算距離的方法。脈沖回波法與相位差法這兩者在處理回波方面有不同的方式,相位差計(jì)算距離的原理是首先超聲波的接收端接收到經(jīng)過(guò)調(diào)制后的回波信號(hào),然后將信號(hào)放入到放大器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換生成的信號(hào)是和相位的信號(hào)幾乎是一模一樣的,然后將這個(gè)產(chǎn)生的電信號(hào)的電壓與驅(qū)動(dòng)電壓兩者進(jìn)行相互的比較,從而得出電壓的相位差,接著就根據(jù)這個(gè)相位差能夠進(jìn)一步地求出需要的距離。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)得的距離精確度很高,缺點(diǎn)是求出的解存在著不確定的因素。所以相比較于脈沖回波的方法采用的比較多。本文的距離測(cè)量用的就是這個(gè)方法。
本論文中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 超聲波系統(tǒng)的硬件電路圖
通常情況下選擇的超聲探頭的頻率是40KHz,當(dāng)要用到的頻率要求很高的情況下只能定做了,本文中的超聲波測(cè)距選擇的超聲波傳感器的頻率是40KHz,傳感器的特性參數(shù)如表1所示。
表1 傳感器特性參數(shù)
4.1發(fā)射電路
發(fā)射電路使用到調(diào)諧式與非調(diào)諧式,通常情況下調(diào)諧式組成元件有線圈,而其中的頻率的決定因素有電容和電感。相比于調(diào)諧,非調(diào)諧的元件中不包含調(diào)諧的器件,而且超聲的頻率的決定因素是跟晶片中的相關(guān)參數(shù)有關(guān)系的。電路中的傳感器的頻率選擇的是40KHz,從而可以發(fā)揮特性到最佳。發(fā)射的電壓盡量取得最大值,由于發(fā)射電壓和發(fā)射的頻率是成正比的,另外發(fā)射電壓增加,回波的頻率也會(huì)增加。發(fā)射電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相比較于接收電路而言要簡(jiǎn)潔。其中發(fā)射傳感器中的電壓是有一定值的限制的,這個(gè)值的最大值取值是在滿足傳感器的內(nèi)部不會(huì)被損壞的情況下決定的。發(fā)射電路中的發(fā)射強(qiáng)度與電阻有關(guān)系,增加電阻,相對(duì)地發(fā)射強(qiáng)度也會(huì)增大,而且分辨率會(huì)降低。
發(fā)射電路實(shí)現(xiàn)的作用是增加發(fā)射探頭處的電壓值以及增高電路中的功率。本文中的發(fā)射電路的脈沖信號(hào)是由單片機(jī)發(fā)出的,脈沖信號(hào)很穩(wěn)定發(fā)射電路設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 發(fā)射電路
超聲測(cè)距的系統(tǒng)中的組成部分主要有單片機(jī)發(fā)射電路,接收電路以及數(shù)碼管等。本文的主控制器單片機(jī)的型號(hào)選擇的是AT89S52。
4.2接收電路
接收電路的組成部分主要包括了帶通的濾波電路,前置放大電路以及積分器和自增益電路。接收電路的最前端放置的是放大電路。而且信噪比也高,同時(shí)動(dòng)態(tài)變化的范圍可以是100dB以上。屏蔽盒中放著放大器,而且換能器也放在旁邊,另外前置的放大器中還包括了反向的二極管以及隔離所需的電阻。
目的是阻止脈沖比較大的信號(hào)發(fā)送到放大極。在回波接收的這個(gè)過(guò)程中,當(dāng)超聲波發(fā)送到表面的時(shí)候,回波信號(hào)反射回來(lái)的會(huì)比較微弱,而且電壓也比較小。
4.3檢測(cè)電路
當(dāng)信號(hào)進(jìn)過(guò)放大濾波這些操作后下一步就是檢測(cè)信號(hào),檢測(cè)的目的是將接收到的信號(hào)從出發(fā)到接收的這個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間確認(rèn)下來(lái),這個(gè)時(shí)間的確定可以說(shuō)是一個(gè)很難把握的,由于這個(gè)時(shí)間跟系統(tǒng)中的儀器的質(zhì)量有關(guān)系,與儀器的測(cè)量是否精確有關(guān)另外電路的檢測(cè)對(duì)系統(tǒng)的工作也是有著很大的影響。在檢測(cè)電路中信號(hào)接收時(shí)要保證一定的精確度,這是十分重要的,一般情況下需要把具有固定值的電平和輸入的信號(hào)做一個(gè)對(duì)比分析,上升和下降沿的觸發(fā)的生成通過(guò)電平的輸出來(lái)決定,最終形成數(shù)字脈沖,從而將外中斷的引腳觸發(fā)。
當(dāng)硬件部分的功能差不多實(shí)現(xiàn)后,就需要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),其中的軟件設(shè)計(jì)的目的是為了處理數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。軟件設(shè)計(jì)主要完成的功能包括:
①對(duì)信號(hào)的發(fā)射進(jìn)行控制,在軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程中要確??梢暂敵雒}沖串;
②對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)處理;
③顯示輸出是將測(cè)得的距離通過(guò)LED進(jìn)行顯示。
5.1主程序結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)中采用的編程語(yǔ)言是匯編,軟件設(shè)計(jì)主要包括了主程序,子程序以及中斷服務(wù)的子程序等等。具體的流程圖如下所示。首先是中定時(shí)器打開(kāi)之前需要對(duì)脈沖串的子程序進(jìn)行初始化,接著啟動(dòng)中斷服務(wù)。在初始化中重要的部分是關(guān)于定時(shí)器是如何工作的和初始化的初始值該如何設(shè)置。下面圖3-5為程序流程圖。
圖3 主程序流程圖
圖4 外部中斷子程序流程圖
圖5 定時(shí)中斷子程序流程圖
①考慮到探頭的功率畢竟是具有一定的限制性的,所以適用的范圍是室內(nèi),范圍比較小,所以需要 把功率換成大些的,這樣的話測(cè)得的距離的范圍就會(huì)大大地增大,此外超聲傳感器的中心頻率也需要進(jìn)行調(diào)整更換,單片機(jī)的程序需要進(jìn)一步地優(yōu)化,以便可以測(cè)得更遠(yuǎn);
②考慮到在超聲波進(jìn)行傳輸?shù)恼麄€(gè)過(guò)程中,由于一些空氣的流動(dòng)以及灰塵的影響從而很容易會(huì)影響到傳播距離的測(cè)量,可以將探頭的功率進(jìn)行改變也可以將被測(cè)的表面的一些條件進(jìn)行改進(jìn),最后將集成的芯片也應(yīng)用到里面去,從而進(jìn)行改進(jìn)。
本文主要是圍繞著單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行論述,其中的涉及到的有硬件方面的設(shè)計(jì)以及軟件方面的設(shè)計(jì)。單片機(jī)作為主控制器。本文主要介紹了超聲測(cè)距系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理,通過(guò)軟件進(jìn)行控制,從而增強(qiáng)測(cè)量過(guò)程中的精確度。
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