基于AT89C2051的超声波测距仪设计

　　0　引言

　　超声波具有指向性强、能量消耗缓慢、在介质中传播距离远等特性。由于各种介质对声波的传播都呈现一定的阻抗,当声波作用到两种介质的分界面时,如果这两种介质的声阻抗相差很大,就会从界面上反射回来,因而超声波经常用于距离的测量。常温下,空气的声阻抗率为415 Pa·s/m,而水的声阻抗率为1.48×106Pa·s/m,钢铁的声阻抗率为4.5×107Pa·s/m,所以空气/钢铁、空气/水界面的测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现测量。其测距原理是超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物反射回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时,根据计时器记录的时间,就可以计算出发射点距障碍物的距离[1]。依据此原理,以AT89C2051单片机为核心利用超声波的特性设计出的低成本、高精度、微型化数字显示的测距仪已用于距离的测量。

　　1　系统特点描述及技术性能

　　测距仪的主要功能是在6 m内的范围内进行距离测量。其特点是:电路简单,体积小;采用了微处理技术,可靠性高,测量精度高;采用了微功耗器件,耗电低,减少故障发生率;液晶数字显示,方便使用。测距仪主要技术性能为测量范围:0.7～6 m;测量误差:δ≤1.7%;分辨力:0.01 m。

　　主要硬件:AT89C2051单片机,超声波探测头(UCM-R40和UCM-T40),字符型液晶显示模块(TR0802B)。

　　2　系统设计及改善措施

　　系统结构框图如图1所示。当开启工作电源时,单片机数据处理单元初始化形成40 kHz的方波,按下发射按钮,发射正弦波,同时计数器开始计时,此波通过功率放大器进行功率放大后,经超声波发射器发射。超声波遇到反射体后,立刻反射回波,接收机接收到反射信号,将反射信号依次进行滤波、放大以及整形后送到

　　单片机中断接口,单片机接收到信号后计数器停止计数。系统根据计数器记录的时间计算出距离,计算公式为

式中:T表示绝对温度;v0=331.4 m/s;S表示探测距离;v表示超声波的传播速度,其值受到温度和介质的影响;t表示计数器所记录的时间;t0表示此系统的固定时间延迟,如果测距的精度要求较高,可以通过温度或者经验补偿的措施加以校正。在测距精度不是很高的情况下,一般认为v为常数340 m/s。

　　2.1　系统硬件设计[1,2]

　　系统硬件结构分为5 V电源、单片机数据处理及显示、超声波发射、回波接收放大四个部分。

　　电源部分采用三端集成稳压器78L05为单片机以及放大电路提供稳定的+5V电压。

　　单片机采用美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位机AT89C2051,它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容,因而是一种功能强大的微控制器,对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。在此设计中主要用于产生40 kHz发射信号、对接收到的回波信号进行处理、利用单片机内部的计数器记录声波的传播时间来完成被测距离的计算,并控制RT0802B字符型液晶模块显示被测距离。RT0802B是测量所得数据的显示部件,按键AN1用于背光控制,RW1可以调节显示对比度,防止对比度过高产生的“鬼影”现象;按键AN2控制测距仪的工作开关状态,按下按键AN2时系统开始测距工作。