超声波测距原理与应用.docx

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超声波测距原理与应用

3．1超声波发射部分超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT40－16T能向外界发出40kHz左右的方波脉冲信号。

40kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：

采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。

编程由单片机P1.0端口输出40kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40kHz方波脉冲信号分成两路，送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器TCT40－16T以声波形式发射到空气中。

发射部分的电路，如图2所示。

图中输出端上拉电阻R31，R32，一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

3．2超声波接收部分上述TCT40－16T发射的在空气中传播，遇到障碍物就会返回，超声波接收部分是为了将反射波（回波）顺利接收到超声波接收换能器TCT40－16R进行转换变成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后，这里用索尼公司生产的集成芯片CX20106，得到一个负脉冲送给单片机的P3.2（INT0）引脚，以产生一个中断。

接收部分的电路，如图3所示。

可以看到，集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。

CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0五可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为30～60kHz。

故本次设计用它来做接收电路。

CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。

工作过程如下：

接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。

当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到．AT89S52的INT0引脚上，以触发中断。

若频率有一些误差，可调节芯片引脚5的外接电阻R42，将滤波器的中心频率设置在40kHz，就可达到理想的效果。

本设计显示部分采用字符型TC1602液晶显示所测距离值。

TC1602显示的容量为2行16个字。

液晶显示屏有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸多优点，与数码管相比，显得更专业、美观。

使用时，可将P0与LCD的数据线相连，P2口与LCD的控制线相连，如图5所示。

其中，TC1602第4脚RS为寄存器选择，第5脚RW为读写信号线，第6脚E为使能端。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

这里要注意的是，为了布线方便，单片机端的D0～D7是接到LCD／602的D1～D0，正好相反，因此在编写软件时需要做处理，使读取正确。

设计方案二:

40KHz的超声波发送脉冲信号由单片机的P1.0口送出，发出一系列的脉冲群，每一个脉冲群的持续时间大约为0.5ms左右。

信号经过三极管放大，再经过阻抗匹配电路即变压器（变压器输入输出比为1：

10）后，驱动超声波发射头，发射换能器两端就加上了高电压，内部的压电晶片开始震动，经过压电换能器将发出40kHz的脉冲超声波。

当超声波遇到障碍物时就会产生反射波，发射波返回到超声波传感器上，尽管发射部分的脉冲电压比较高，但是由回波引起的接受压电晶片产生的射频电压幅度近距离有几毫伏，远距离还不到几毫伏，由于在较远距离的情况下，声的回波很弱，因而转换为电信号的幅值也很小，为此要求将信号放大6000倍左右。

信号经过放大整形电路产生一个负脉冲信号，使单片机产生中断。

在接收端第一级，要求其放大倍数为了C945这62倍左右，所以选择只三极管，达到了放大倍数。

第二三级选用了一枚集成放大器NE5532，它集成了两个放大器，可达到预定放大倍数。

超声波回波接收电路

信号放大器原理图

基于AT89C51单片机的超声波测距系统发射接收电路

由AT89C51单片机编程，执行程序后P1.0口产生40KHZ的脉冲信号，经三极管放大后来驱动超声波发射探头UCM40T，产生超声波。

接收头采用和发射头配对UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器两级放大后加至IC2。

IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3,电容C4决定其锁定带宽。

调解R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mv，输出端8脚由高电平越变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。

在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。

当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INTO或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。

发射电路电路图如图3.9所示：

图3.9系统发射电路

此电路由一个9V的电源,R1=3.6K欧,R2=360欧,三极管T一个,激励换能器T40-16一个。

其流程图如图3.10所示：

图3.10流程图

发射电路原理：

当单片机AT89C51,通过P1.0这个I/O口,发送一系列的脉冲经过三极管T进行放大,从而使T40-16这个激励换能器发射出超声波。

接收电路如3.11所示：

图3.11接收电路图

其原理框图如下：

图3.12原理框图

此系统为了全方位测距，故有左、右、中三个测距电路，其电路都相同。

3.3.1系统显示电路

显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。

最简单的显示器可以使LED发光二极管，给出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏。

综合课题的实际要求以及考虑单片机的接口资源，采用串行方式显示的LED驱动输出设备。

由于全程显示的距离范围在4米之内，用3个LED数码管表示距离的cm数值。

在单片机应用系统中，发光二极管LED显示器常用两种驱动方式：

静态显示驱动和动态显示驱动。

所谓静态显示驱动，就是给要点亮的LED通以恒定的电流即每一位LED显示器各引脚都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口。

单片机只需要把要显示的字形段码发送到接口电路并保持不变即可，如果要显示新的数据，再发送新的字形段码。

因此，使用这种方法单片机中CPU开销小，但这种驱动方法需要寄存器、译码器等硬件设备。

当需要显示的位数增加时，所需的器件和连线也相应增加，成本也增加。

而所谓动态显示驱动就是给欲点亮的LED通以

脉冲电流，即采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮，这时LED的亮度就是通断的平均亮度。

考虑各种因素，本设计选用动态驱动显示。

本设计选用8155芯片作为单片机应用系统扩展的I/O口。

8155的P口作为LED的字形输出口，为提高显示亮度，采用8路反相驱动器74LS244驱动PC口作为LED的位选控制口，采用共阳极的LED显示器，由于8段全亮时位控线的驱动电流较大，采用6路反相驱动器74LS06以提高驱动能力。

图3.13系统显示电路

3.5稳压电源

大部分的电子电路与电子设备都需要有一个稳定的直流电源提供能量，而且对于我们通常所接触的控制器而言，一般都是利用电网提供的交流电源，经过整流、滤波、稳压后，滤去其不稳定的脉动、干扰成分，提供一个稳定的直流电压，来使电子电路与电子设备保持正常的工作。

并且，我们目前绝大部分电子电路与电子设备都是使用线性电源，即通过降压、整流、滤波、稳压后提供稳定的直流电压给电子电路及芯片工作的。

固定式三端稳压电源（7805）是由输出脚Vo,输入脚Vi和接地脚GND组成,它的稳压值为+5V,它属于CW78xx系列的稳压器,输入端接电容可以进一步的滤波,输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响,此电路的稳定性也比较好。

由于固定式三端稳压电源（7805）的输出电流有1.5A，而本次设计电路电流在1A到2A之间，考虑到电路的一般余量在2倍到3倍左右。

故本次设计电源电路需要采用扩流电路，如图3-17。

3-17

4.1单片机AT89C51介绍

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。

AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

I/O端口的编程实际上就是根据应用电路的具体功能和要求对I/O寄存器进行编程。

具体步骤如下：

（1）根据实际电路的要求，选择要使用哪些I/O端口，用EQU伪指令定义其相应的寄存器；

（2）初始化端口的数据输出寄存器，应避免端口作为输出时的开始阶段出现不确定状态，影响外围电路正常工作；

（3）根据外围电路功能，确定I/O端口的方向，初始化端口的数据方向寄存器。

对于用作输入的端口可以不考虑方向初始化，因为I/O的复位缺省值为输入；

（4）用作输入的I/O管脚，如需上拉，再通过输入上拉使能寄存器为其内部配置上拉电阻；

（5）最后对I/O端口进行输出（写数据输出寄存器）和输入（读端口）编程，完成对外围电路的相应功能。

图4.1AT89C51单片机芯片

根据系统设计要求，各接口功能如下：

P1.0:

产生输出一个40KHZ的脉冲信号。

（用于前方测距电路）

P1.1:

产生输出一个40KHZ的脉冲信号。

（用于右侧测距电路）

P1.2:

产生输出一个40KHZ的脉冲信号。

（用于左侧测距电路）

INT0:

产生中断请求，接前方测距电路。

INT1:

产生中断请求，接前方测距电路。

P1.3:

接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。

P1.4:

接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。

P0.0:

用于显示输出，接显示器。

P0.1:

用于显示输出，接显示器。

P0.2:

用于显示输出，接显示器。

P0.3:

用于显示输出，接显示器。

P0.4:

用于显示输出，接显示器。

P0.5:

用于显示输出，接显示器。

P0.6:

用于显示输出，接显示器。

P0.7:

用于显示输出，接显示器。

P2.7:

接报警电路

P2.0:

接报警电路

P2.1:

接报警电路

XTAL1：

接外部晶振的一个引脚。

在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。

它采用外部振荡器时，些引脚应接地。

XTAL2：

接外部晶振的一个引脚。

在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。

当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。

RST：

AT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。

4.2运算放大器

主要技术参数:

1、开环差模电压增益Au0：

Au0是指集成运放在无外加反馈情况下,并工作在线性区时的差模电压增益.用分贝表示则是20lgAu0.性能较好的集成运放的Au0可达140db以上。

2、输入失调电压及其温漂：

失调电压的大小主要反映了差分输入元件的失配；输入失调电压是随温度,电源电压或时间而变化的,通常将输入失调电压对温度的平均变化率称为输入电压温度漂移。

3、输入失调电流及其温漂：

在常温下，输入信号为零时，放大器的两个输入端的基极静态电流之差称为输入失调电流II0。

输入失调电流温度漂移是指输入失调电压随温度变化的平均变化率。

一般以mA/0C为单位。

高质量的为每度几个皮安。

4、输入偏置电流IIB：

IIB是指常温下输入信号为零时，两个输入端静态电流的平均值，即IIB=（IB1+IB2）/2（4-1）

IIB的大小反映了放大器的输入电阻和输入失调电流的大小，IIB越小，运算放大器的输入电阻越高，输入失调电流越小。

5、差模输入电阻Rid：

Rid是指运算放大器两个输入端之间的动态电阻，一般为几兆。

6、输出电阻R0：

运算放大器在开环工作时，在输出端对地之间看进去的等效电阻即为输出电阻。

R0大小放映了运算放大器的负载能力。

7、共模抑制比KcmR

KcmR=Aud/Auc（4-2）

用dB表示，即为20lg（Aud/Auc）.

8、最大差模输入电压UidM：

UIdM是指运算放大器同相端和反相端之间所能加的最大电压。

9、最大共模输入电压UicM：

UIcM是指运算放大器在线性工作范围内能承受的最大共模输入电压。

4.3探头UCM介绍

压电陶瓷超声波换能器（超声波传感器）体积小，灵敏度高、性能可靠、价格低廉，是遥控、遥测、报警等电子装置最理想的电子器件、用此换能器构成的超声波遥控开关，可使家电产品、电子玩具加速更新换代，提高市场竞争能力。

表2.1传感器特性参数

型号

UCM—T40K1

UCM—R40K1

结构

开放式

开放式

发射距离

8—10米

8—10米

使用方式

发射

接收

谐振频率

40KHZ±1KHZ

40KHZ±1KHZ

频带宽

2KHZ±0.5KHZ

2KHZ±0.5KHZ

灵敏度

≥—70dB/V/ubar

≥—70dB/V/ubar

外形尺寸

∮16mm322.5mm

∮16mm322.5mm

温度范围

—20℃~+60℃

—20℃~+60℃

相对湿度

20±5℃时达98%

20±5℃时达98%