1、 超聲波測距儀 1、 摘要 隨著社會(huì)的發(fā)展，超聲波測距被廣泛應(yīng)用與各科學(xué)領(lǐng)域，針對(duì)我們電子競賽而言，超聲波測距更是我們做控制類的重點(diǎn)模塊，本設(shè)計(jì)采用以AT89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)包括超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、單片機(jī)的信號(hào)處理以及顯示模塊。發(fā)射端主要采用74LS04芯片，接收端采用CX20106A芯片。關(guān)鍵詞：AT89c51; 超聲波；測距二、系統(tǒng)方案及原理超聲波接受器放大電路檢波電路51單片機(jī)放大電路超聲波發(fā)射器數(shù)碼管顯示當(dāng)進(jìn)行距離的測量時(shí)，由安裝在同一水平線上的超聲波發(fā)射器和接收器完成超聲波的發(fā)射與接收，并且同時(shí)

2、啟動(dòng)定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。首先由超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波并同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播的途中一旦遇到障礙物后就會(huì)被反射回來，當(dāng)接收探頭收到反射波后就會(huì)給負(fù)脈沖到單片機(jī)使其立刻停止計(jì)時(shí)。這樣，定時(shí)器就能夠準(zhǔn)確的記錄下了超聲波發(fā)射點(diǎn)至障礙物之間往返傳播所用的時(shí)間t（s）。由于在常溫下超聲波在空氣中的傳播速度大約為340 m/s，所以障礙物到發(fā)射探頭之間的距離為：S=340×t/2=170×t 因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)時(shí)實(shí)際上就是對(duì)機(jī)器周期T的計(jì)數(shù)，而本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘頻率fosc取12 MHz，設(shè)計(jì)數(shù)值N，則： T12/fosc=1s t=N×TN×0.000

3、001（s） S170×N×T170×N/1000000（m） 在程序中按式S170×N×T170×N/1000000計(jì)算距離。3、 硬件電路及原理發(fā)射端原理圖圖2-2原理解釋： 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖2-2所示。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P0.1端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R

4、16、R17一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。 工作時(shí)，由單片機(jī)產(chǎn)生40 kHz的脈沖從P0.1口向超聲波的發(fā)射電路部分發(fā)出信號(hào)，再經(jīng)74LS04放大電路放大后，驅(qū)動(dòng)超聲波探頭將超聲波發(fā)射出去。74LS04 放大信號(hào)的工作原理： 超聲波發(fā)射電路信號(hào)走向上拉電阻的作用： 上拉電阻一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩時(shí)間。接收端原理圖：工作原理： 由于超聲波在空氣中的傳播過程中是有衰減的，如果距離較遠(yuǎn)，那么超聲波接收電路所接收到的超聲波信號(hào)就會(huì)比較

5、微弱，因此需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大而且放大的倍數(shù)也要比較大。超聲波接收電路主要是由集成電路CX20106A芯片電路構(gòu)成的，CX20106A芯片電路可以對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波、整形、比較等功能，比較完之后超聲波接收電路會(huì)輸出一個(gè)低電平到單片機(jī)去請(qǐng)求中斷，當(dāng)即單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，并開始去進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。CX20106A芯片的前置放大器具有自動(dòng)增益控制的功能，當(dāng)測量的距離比較近時(shí)，放大器不會(huì)過載；而當(dāng)測量距離比較遠(yuǎn)時(shí)，超聲波信號(hào)微弱，前置放大器就有較大的放大增益效果。CX20106A芯片的5腳在外接電阻對(duì)它的帶通濾波器的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且不用再外接其他的電感，能夠很好地避免外加

6、磁場對(duì)芯片電路的干擾，而且它的可靠性也是比較高的。CX20106A芯片電路本身就具有很的抗干擾的能力，而且靈敏度也比較高，所以，能滿足本設(shè)計(jì)的要求。關(guān)于CD20106A芯片：1腳：超聲信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。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(gè)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(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為R1=4.7，C1=1F。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，

7、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(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為3.3f。4腳： 接地端。5腳： 該腳與電源間接入一個(gè)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=200k時(shí)，f042kHz，若取R=220k，則中心頻率f038kHz。6腳： 該腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會(huì)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(gè)上拉電阻到電源端，推薦阻值為22k，沒有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生下降。8腳： 電源正4.55.5V 極，軟件部分：流程圖：開始單片機(jī)初始化超聲波模塊復(fù)位發(fā)射超聲波并啟動(dòng)T0開中斷接收到回波的同時(shí)中斷停止計(jì)算測量距離顯示距離延時(shí) 系統(tǒng)主流程圖延時(shí)模塊：計(jì)時(shí)停止指定的報(bào)警聲開啟中斷關(guān)閉返回距離計(jì)算處理顯示距離并根據(jù)距離判斷是否報(bào)警YN小結(jié) 測量結(jié)果表明，此超聲波模塊的最大探