基于C8051F020单片机的超声测距仪设计

　　1　超声测距基本原理

　　超声波测距仪的基本工作原理是由仪器发出一束超声波,遇到障碍物反射,再由仪器测量该超声波在空气中的传播时间,由超声波传播时间和传播速度来确定距离障碍物的距离,即所谓的脉冲—回波方式,如图1所示。

　　假设从仪器发射超声波到接收到回波的时间是t,超声波在介质中的传播速度是c,则待测的距离为

　　L=ct/2.

　　在利用超声波测量距离的过程中,影响测距精度的因素主要有:一是不能精确测量回波到达时刻。超声波在空气中衰减极大,随着测量距离的增大,回波信号的变化范围也很大,设定检测回波阈值的方法有较大的误差;二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽,影响了测距的分辨率,尤其对近距离的测量造成较大的影响;再就是环境温度也会对测量造成一定的影响,环境温度与超声波在介质中传播速度的关系为[1]

　　式中　T为绝对温度,K。

　　在一些对测量精度要求较高的场合,这些因素都限制了超声波测距仪的应用。如何解决这些问题,提高超声波测距的精度,具有较大的现实意义。

　　2　系统硬件设计

　　2. 1　系统组成

　　该超声测距仪系统框图如图2所示,系统选用C8051F系列单片机作为主控制器,该单片机是完全集成的混合信号系统级MCU芯片,具有高速流水线结构的8051兼容的CIP-51核, 64 K字节可在系统编程的FLASH存储器, 4 352字节的片内RAM,5个通用定时/计时器,片内看门狗,VDD监视器,片内集成模数、数模转换,集成温度传感器等,因此可简化外部电路结构,降低系统功耗,提高抗干扰能力。

　　2. 2　超声发射驱动及接收电路原理

　　本系统的发射及接收电路如图3所示。其工作原理是:由C8061F单片机产生的40 kHz的脉冲信号经P1. 0引脚输出,为提高驱动能力,选用5 kΩ电阻作为上拉电阻,驱动晶体管BG1,再由它驱动VMOS功率型场效应管, E2选用25 V直流电压。当单片机P1·0口输出高电平时, BG1导通,集电极为低电平使BG2截止,电源E2通过R4对超声换能器充电至最高电压,使之保持在最大变形状态。发射超声波时,单片机输出低电平,使BG1截止、BG2导通,超声换能器通过BG2放电产生超声波发射出去[2]。

　　当此脉冲信号遇到障碍物返回时,超声换能器接受这一微弱信号并转变为电信号,后续放大电路进行放大,由于超声换能器具有很高的阻抗,因此采用高输入阻抗的MOS管作为前置放大器[3]。信号经过前置放大电路后进入带通滤波电路,目的是进一步放大有用信号,滤除干扰。并联的2个二极管D1,D2对后续的前置放大器起嵌位作用,使其最大电压不超过0. 7 V。