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[单片机资料] 基于单片机的超声波测距系统

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发表于 2022-8-3 15:12:49 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省深圳市
摘要:基于单片机的超声波测距系统,采用测量输出脉冲宽度,即发射与接收超声波的时间间隔,通过对单片机适时控制外围电路,并向外围电路提供频率振荡、数据处理和译码显示等信号。该超声波发射电路包括门控电路(RS触发器)及微分/整形电路,接收电路则由接收、放大及信号筛选、整形电路组成。

1 超声波测距原理
超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,就成为超声波接收器。在超声探测电路中,发射端得到输出脉冲为一系列方波,其宽度为发射超声与接收超声的时间间隔,被测物距离越大,脉冲宽度越大,输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法:① 取输出脉冲的平均值电压,该电压(其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;② 测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t,故被测距离为 s=1/2vt。本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关,如果温度变化不大,则可认为声速基本不变。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。
本方案以 Atmel89C52为核心,通过对其软件编程,实现该对其外围电路的适时控制,并提供给外围电路所需的信号,包括频率振荡信号、数据处理信号和译码显示信号等。简化了外围电路,且移植性好。整个硬件电路方框图如图 1。
1.jpg

2 超声波发射电路
2.1 频率产生电路
本设计中用到三种频率。
一是超声波的中心频率(40kHz)。
二是门控信号频率,经验设为 2kHz。这样从单片机 P1_3 端输出的时钟脉冲频率 f=2kHz,周期 T=1/f=50ms,经 C2、R3 微分和限幅二极管D1 的限幅后,变为正向尖脉冲,再由 U2A、U2B整形,便得到高电平宽度为 0.25ms 的脉冲信号,该脉冲控制与非门的开启。经 U1 驱动超声发射器MA40LIS 发出 0.25ms/0.025ms=10 个脉冲,即从P1_3 输出时钟脉冲的每一个周期,超声发射器便发射出脉冲数为 10 的脉冲串(1/40kHz=0.25ms)。
三是单片机送出来的计数频率,根据超声波测距精度为 1mm,超声波发射器的声波传播到反射物,再由反射物反射到接收器,所传播距离为 2 倍测量距离的计算得出。声波在标准气压下 15℃的传播速度为 341m/s,要设计一个时钟周期内超声波传播距离为 0.002mm,341/0.002m=170.5×103 kHz,故一个时钟周期内所测距离便为 0.001m,N 个周期所测的距离为 N×0.001m。
若软件编程能保证单片机在启停时三个频率信号同步,就具备了精确计数的最基本条件。

2.2 门控电路(RS 触发器)
为实现对超声波发射和接收的自动控制,须在电路中加入门控电路。根据 S=1/2vt,其中 v 为声波在空气中的传播速度,他和空气的温度有关,温度每升高 1 摄氏度声速增加 0.6m/s。如果 t 已知,距离便可确定,如把输出脉冲作为闸门信号,让已知频率 fc 的脉冲恰好通过闸门,那么 t=NTc。式中:Tc 为已知脉冲的周期;N 为脉冲周期的个数或脉冲的个数。
门控电路由 RS 触发器完成,RS 触发器用CD4013 中的一个 D 触发器完成。当 R=1(S=0)时复位,即 Q=0;S=1(R=0)时置位,即 Q=1。当单片机上电复位时,非门 CD4069 的 3 脚为高电平,于是其 2 脚输出为高电平。

2.3 微分/整形电路
微分电路由电容 C1、电阻 R3 和二极管 D1 组成,整形电路由 U2A,U2B 组成,见图 2。
2.jpg
3.jpg
超声波发射电路由与非门 U2A、高频三极管Q1 9018 及超声波发生器 LABAL 等组成,如图 3。
由单片机 P1_2 口产生 40kHz 的超声波振荡信号,并将一门控信号(从单片机的 P1_3 口送出,应注意单片机的 P1 口初始化为低电平的)经过两级非门送入与非门的另一输入端。由于平时非门的 3 脚由下拉电阻 R3 将其 3 脚的电位拉为低电平,经过两级非门后输入与非门另外一端子的信号仍为低电平,这时 40kHz 的超声波振荡信号无法通过与非门使超声波发生器 LABAL 起振,设备处于待机状态。按下启动按钮启动单片机内部的定时器 T0,将产生一门控(闸门)信号。此门控(闸门)脉冲信号窄了会降低测量精度,宽了会增加测量延迟时间,同样也会降低测量精度,所以设计时将此门控(闸门)信号设计成 4kHz。
由于单片机的 P1 口最多只有 20mA 的拉电流,而超声波发射器最小驱动电流要 60mA,所以在与非门 U1ACD4011 的后级加入一级三极管放大电路,以完成超声波的发射。

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