基于STC89C51单片机的超声波测距系统设计与实现

　　0 引言

　　超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法,和激光、涡流和无线电测距方法相比,具有不受外界光及电磁场等因素影响的优点,在恶劣环境中也具有一定的适应能力,且结构简单,成本低,因此在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用。目前超声波测距的需求越来越大,如油库和水箱液面的精确测量和控制,物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。此外,超声波测距在石油化工、材料科学、医学、生物科学等领域中也占据了重要地位[1]。本文结合超声波精确测距的需要,以STC89C51单片机为核心,设计了低成本、测距精确的小型化超声波测距系统,并给出了硬件电路和软件设计方法。

　　1 超声波测距原理与系统设计

　　1.1 超声波测距原理

　　本设计采用超声波往返时间检测法[2],其原理为:检测从超声波发射器发出的超声波(假设传播介质为气体)经气体介质的传播到接收器的时间即往返时间,往返时间与气体介质中的声速相乘,就是声波传输的距离。而所测距离是声波传输距离的一半,即

　　在式(1)中,L为待测距离,v为超声波的声速,t为往返时间。已知声速v=344m/s(20°C时)。

　　1.2 超声波测距思想设计

　　超声波测距是根据回波测距的原理设计的,由超声波的发射器发射超声波,超声波接收器接收回波。测出从超声波发射脉冲串时刻到接收回波时的时间差,超声波在同温同介质中的传播速度由测温系统得知,将声速与时刻差相乘,得出距离并显示。其系统框图如图1所示。

　　2 超声波测距系统硬件设计

　　2.1 硬件设计思想

　　按设计要求,根据超声波测距原理,以STC89C51单片机系统[3]为核心,制作超声波测距电路。它的各部分电路的说明如下:

　　1)STC89C51单片机是超声波测距的核心部分,主要任务:

　　①控制一个40kHz的脉冲驱动振荡电路,启动振荡电路工作,振荡电路振荡出与超声波发射器的固有频率相同的频率,使换能器能最大效率工作;

　　②延时程序延时一个40kHz的脉冲;

　　③本系统用单片机的定时器0(T0)测时间,定时器0工作于方式2,自动装载,实现串口通讯,波特率为2400bit/s,晶振频率为12MHz;

　　④根据超声波发射和接收的时间差与串口接收的速度数值相乘,计算出距离;

　　⑤显示距离;

　　2)超声波发射电路的作用是振荡电路振荡出40kHz的脉冲信号,信号幅值是18V(可调节),脉冲信号驱动超声波发射传感器,发射超声波。

　　3)超声波接收电路主要包括微弱信号放大、电压比较中断信号输出等部分。它是用来对接收到的回波进行放大和整形,即将回波信号转换成单片机的中断信号。