淮南联合大学 安徽淮南 232001
摘要：尽人皆知，声波是属于声音的范畴，是属于机械波的领域，声波是指人所能够听到的纵波，其频率的范围是16Hz-20KHz，当高于这个上限时的波就称为超声波。超声波具有方位确定强，透穿能力强，可以轻易捕获声能，尤其是在液体中具有良好的传播距离的优点。它的作用可以运用于很多领域。
关键词：单片机；超声波；测距仪；系统设计
引言：超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高；而且超声波传感具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。
超声波测距的原理是利用超声波的发射和接收，根据超声波传播的时间来计算传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。
本设计采用AT89S52单片机进行控制及数据处理，设计出了能精确测量两点间距离的超声波测距仪。该测距仪主要由单片机控制电路、超声波发射器电路、超声波接收器电路、及显示电路构成。
1.系统总体设计
1.1超声波测距系统概述
超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中传播，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中断停止计时。通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。基本的测距公式为：
式中L——要测的距离
T——发射波和反射波之间的时间间隔
C——超声波在空气中的声速，常温下取为340m/s
声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得距离L。
1.2本设计方案思路
本设计以AT89S52单片机为控制核心，产生驱动信号，超声波发射电路，接收电路信号处理，检测，完成时间的测量为主要设计内容。
单片机编程用引脚端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，去触发超声波发射传感器，接收传感器接收到微弱信号后进行多级放大，滤波，整形，检波，送到单片机引脚判断低电平信号。计算测距时间采用定时器计时完成。
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1.3框图设计
根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S52单片机作为主控制器，用LED数码管显示。超声波驱动信号用单片机发出和接收。超声波测距的原理，即超声波发生器T在某一时刻发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收。
2.硬件设计
超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管8550驱动。
2.1七段LED显示
LED数码管的显示电路中采用动态数码管显示，在其中P0端口控制段码，低电平有效，P2.0-P2.3端口控制位码，高电平有效。P2.3端口控制第1个数码管，P2.2端口控制第2个数码管，P2.1端口控制第3个数码管，P2.0端口控制第4个数码管。各个数码管的段码都是P0端口的输出，即各个数码管输入的段码都是一样的，为了使其分别显示不同的数字，可采用动态扫描的方式，即先只让最低位显示0，经过一段延时，再只让次低位显示1，以此类推。由于视觉暂留，只要延时时间足够短，就能够使得数码的显示看起来非常稳定清楚。
2.2超声波测距硬件设计
由于从单片里发出的40kHz脉冲信号的功率较低，不能直接驱动发射换能器，因而需要一个放大电路将脉冲信号放大后再送至发射换能器，驱动其发出与驱动信号同频率的超声波，所以发射电路的主要功能就是放大。为增大超声波的发射频率，本设计利用了单运放LM386，LM386是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。它的内建增益为20，透过pin1和pin8脚位间电容的搭配，增益最高可达200。LM386可使用电池为供应电源，输入电压范围可由4V~12V，无作动时仅消耗4mA电流，且失真小。发射距离可达3m。利用LM386的驱动放大功能将单片机产生的40kHz方波放大输出。
2.3超声波检测接收电路设计
检测接收电路中的CX20106A芯片是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距超声波频率40kHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路，超声波接收头将机械能转换为电信号。但这个电信号非常微弱，必须经过放大，CX20106A芯片完成放大调制的功能。
3.软件设计
3.1主程序流程
此程序的运行，主要是由初始化程序以及每一个模块的子程序相辅相成共同作用而成一体的。主要的流程有如下：将整个超声波测距仪接入电脑的USB口，XFS5152CE语音模块初始化，这时触发超声波测距仪发射脉冲，定时器2初始化并开始计时，等待超声波回归波的信号。这时单片机检测是否有回波，若由回波产生，将进行就指定位置的测量并且在LCD液晶显示具体的数据，与此同时语音模块播报具体的已经计算好的数据结果。若没检测到回归波的产生则返回到XFS5152CE语音模块，这时触发超声波测距仪发射脉冲，定时器2初始化并开始计时，等待超声波回归波的信号。这时单片机检测是否有回波，若由回波产生，将进行就指定位置的测量并且在LCD液晶显示具体的数据，与此同时语音模块播报具体的已经计算好的数据结果。以此重复此过程。
3.2语音模块流程
先给语音模块通电，XFS5152CE语音模块开始初始化，与此同时检测引脚RDY的状态为是否有效，若引脚RDY有效，则开始读取储存器里的数据并开始语音播报。若引脚RDY无效，则返回到开始，XFS5152CE语音模块开始初始化，与此同时检测引脚RDY的状态为是否有效，若引脚RDY有效，则开始读取储存器里的数据并开始语音播报。以此重复此过程。
3.3 LCD1602显示模块流程
对LCD1602显示模块通上电以后，LCD1602液晶显示初始化，与此同时检测LCD1602就收到信号，则按字节显示，若没检测到信号则返回到开始，以此下去。
3.4外部中断流程
定时器进行关闭的同时关闭全部的中断程序，定时器里的熟知传入到下面的处理单元，然后重置标志位，最后进行中断返回。
参考文献：
[1]论超声波测距仪技术[J].魏宪明.黑龙江科学.2013(09)
[2]马彪. 单片机应用技术.北京：中国轻工业出版社.2010
[3]李国兴，李伟：单片机开发应用技术.北京大学出版社.2007
论文作者:吴双
论文发表刊物:《防护工程》2017年第6期
论文发表时间:2017/7/17
标签：超声波论文; 测距仪论文; 单片机论文; 电路论文; 信号论文; 回波论文; 模块论文; 《防护工程》2017年第6期论文;