摘要：超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，例如：液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。目前國(guó)內(nèi)一般使用集成電路設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀，但是集成電路的成本很高，并且沒(méi)有顯示，操作使用很不方便。本文介紹一種以AT89C2051或GSM97C2051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(cè)距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。實(shí)際使用證明該儀器工作穩(wěn)定，性能良好。
　　
　　1、超聲波測(cè)距原理
　　
　　超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t,然后求出距離S=Ct/2，式中的C為超聲波波速。
　　
　　由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)，表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕ＵＢ曀俅_定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的機(jī)理。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。　　
　　2、AT89C2051的功能特點(diǎn)
　　
　　AT89C2051是一個(gè)2k字節(jié)可編程EPROM的高性能微控制器。它與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51的指令和引腳兼容，因而是一種功能強(qiáng)大的微控制器，它對(duì)很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個(gè)高度靈活有效的解決方案。AT89C2051有以下特點(diǎn)：2k字節(jié)EPROM、128字節(jié)RAM、15根I/O線、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、5個(gè)向量二級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、1個(gè)全雙向的串行口、并且內(nèi)含精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器，具有4.25V至5.5V的電壓工作范圍和12MHz/24MHz工作頻率，同時(shí)還具有加密陣列的二級(jí)程序存儲(chǔ)器加鎖、掉電和時(shí)鐘電路等。此外，AT89C2051還支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式。空閑時(shí)，CPU停止，而讓RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。可掉電保存RAM的內(nèi)容，但可使振蕩器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件復(fù)位。
　　
　　AT89C2051有2個(gè)16位計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器寄存器Timer0tTimer1。作為一個(gè)定時(shí)器，每個(gè)機(jī)器周期寄存器增加1，這樣寄存器即可計(jì)數(shù)機(jī)器周期。因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器周期有12個(gè)振蕩器周期，所以計(jì)數(shù)率是振蕩器頻率的1/12。作為一個(gè)計(jì)數(shù)器，該寄存器在相應(yīng)的外部輸入腳P3.4/T0和P3.5/T1上出現(xiàn)從1至0的變化時(shí)增1。由于需要二個(gè)機(jī)器周期來(lái)辨認(rèn)一次1到0的變化，所以zui大的計(jì)數(shù)率是振蕩器頻率的1/24，可以對(duì)外部的輸入端P3.2/INT0和P3.3/INT1編程，便于測(cè)量脈沖寬度的門。
　　
　　表1聲速與溫度關(guān)系表
　　　　充分利用AT89C2051的片內(nèi)資源，即可在很少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。
　　
　　3、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
　　
　　超聲波測(cè)距儀的硬件電路如圖2所示。　　
　　AT89C2051通過(guò)外部引腳P1.6輸出脈沖寬度為250μs，載波為40kHz的10個(gè)脈沖的脈沖群，以推挽形式加到變壓器的初級(jí)，經(jīng)升壓變換推動(dòng)超聲波換能器發(fā)射出去。在發(fā)射的同時(shí)，P1.7輸出一個(gè)高電平啟動(dòng)，給電容C4充電。發(fā)射結(jié)束時(shí)高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，C4開始對(duì)R2、R3組成的分壓器放電并輸出到比較器的負(fù)端。超聲波接收換能器將接收到的障礙物反射的超聲波送到放大器進(jìn)行放大，這是一個(gè)高增益、低噪聲放大器，在對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行檢波后將檢測(cè)回波送到比較器的正輸入端。發(fā)射時(shí)P1.7輸出的電平可以抑制比較器的翻轉(zhuǎn)，這樣就可以抑制發(fā)射器發(fā)射的超聲波直接輻射到接收器而導(dǎo)致錯(cuò)誤檢測(cè)。　　
　　圖3是超聲波測(cè)距原理的波形圖，從圖中可以看到，測(cè)出回波和發(fā)射脈沖之間的時(shí)間間隔，利用S=Ct/2就可以算出距離，再在LCD上顯示出來(lái)。當(dāng)然還可以設(shè)置若干個(gè)鍵，以用來(lái)控制電路的工作狀態(tài)。限制系統(tǒng)的zui大可測(cè)距離存在四個(gè)因素：超聲波的幅度，反射而的質(zhì)地，反射而和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定zui小的可測(cè)距離。
　　
　　4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　
　　AT89C2051單片機(jī)和其開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)具有語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、可移植性好、表達(dá)能力強(qiáng)、表達(dá)方式靈活、可進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、可以直接控制計(jì)算機(jī)硬件、生成代碼質(zhì)量高、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。超聲波測(cè)距儀就是用AT89C51單片機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)的。它采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、發(fā)射子程序、查蟓接收子程序、定時(shí)子程序、顯示子程序等模塊組成。　　
　　圖4和圖5分別為主程序和測(cè)量子程序的框圖。該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當(dāng)按下測(cè)量鍵時(shí)，主程序開始調(diào)用發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時(shí)子程序，并把測(cè)量結(jié)果用顯示子程序在液晶屏上顯示出來(lái)。　　
　　必須指出的是，由于液晶要使用同一P3口，所以必須全部使用位操作，否則將導(dǎo)致LCD不能正常顯示。另外，在系統(tǒng)還可以加入溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，把表1所列的數(shù)據(jù)做到程序中可進(jìn)行溫度被償。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)在軟硬件上采用一些特殊措施。限于篇幅，下面僅給出部分程序，感興趣者可與作者。
　　
　　#pragmaDBOECDOT（5,SPEED）ROM（LARGE）IV
　　
　　/*連接所需要的庫(kù)*/
　　
　　#Include<reg52.h>
　　
　　#Include<absacc.h>
　　
　　#Include<stdio.h>
　　
　　/*定義數(shù)據(jù)類型*/
　　
　　typedefunsingnedcharbyte;
　　
　　typedefunsignedintword
　　
　　#defineucharunsignedchar
　　
　　#defineunintunsignedint
　　
　　#defineulongunsignedlong
　　
　　/*定義系統(tǒng)常數(shù)*/
　　
　　#defineTRUE1
　　
　　#defineFALSE0
　　
　　#defineC=340/*聲速*/
　　
　　/*定義功能位*/
　　
　　sbitbflag=ACC7;
　　
　　sbitVOLCK=P1^5;
　　
　　sbitMING=P3^5;
　　
　　sbitQUIET=P1^3;
　　
　　sbitBACK=P1^2;
　　
　　/*定義顯示緩沖區(qū)*/
　　
　　ucharidataON[16]={’，’L’，’E’，’N’，’G’，’T’，’H’，’=’,’8’,’.’,’8’8’,’m’,’’,’’,’’};
　　
　　/*主程序用延時(shí)子程序*/
　　
　　woidmain-delay（void）
　　
　　{
　　
　　registeri;
　　
　　TRO=1;
　　
　　for（i=0;i<15;i++）
　　
　　{
　　
　　TH0=0;
　　
　　TL0=0;
　　
　　Do{}while（!TF0）;
　　
　　TF0=0;
　　
　　}
　　
　　TR0=0;
　　
　　}
　　
　　*/通用延時(shí)子程序*/
　　
　　voiddelay（void）
　　
　　{
　　
　　uninti;
　　
　　for（i=0;i<200;i++）{;}
　　
　　}
　　
　　/*鍵盤延時(shí)子程序*/
　　
　　voidkey-delay（void）
　　
　　{
　　
　　uninti;
　　
　　for（i=0;i<200;i++）{;}
　　
　　}
　　
　　/*初始化程序*/
　　
　　voidstart_main（）
　　
　　{
　　
　　tegisteri;
　　
　　uchara[16]={’’，’L’，’E’，’N’，’G’，’T’，’H’，’=,’8’,’.’，’8’，’8’，’m’,’’,’’,’’};
　　
　　for（i=0;<16;i++）
　　
　　{ON[i]=a[i];}
　　
　　nitlcd（）;/*初始化液晶*/
　　
　　display（ON）;/*更新顯示*/
　　
　　}
　　
　　/*主程序*/
　　
　　voidmain（）
　　
　　{
　　
　　registers,keycode;
　　
　　longidatat;
　　
　　start-main（）;/*初始化*/
　　
　　main-delay（）;/*延時(shí)*/；
　　
　　if（keycoed==true）
　　
　　{
　　
　　keycode=key-scan-wait（）;
　　
　　/*判斷是否有測(cè)量鍵按下*/
　　
　　t=measure（）;*/測(cè)量*/
　　
　　S=0.5*t*C;*/換算*/
　　
　　Decode-bcd（s.0x09）;
　　
　　/*把測(cè)量結(jié)果置換入顯示緩沖區(qū)*/
　　
　　init-lcd（）;/*初始化液晶*/
　　
　　display（ON）;/*更新顯示*/
　　
　　}
　　
　　}
　　
　　5、結(jié)束語(yǔ)
　　
　　雖然用一個(gè)單獨(dú)計(jì)時(shí)器電路也可以測(cè)量超聲波的傳輸時(shí)間，但利用AT89C2051單片機(jī)可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，便于操作和直觀讀數(shù)。該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際測(cè)試證明，可以滿足大多數(shù)場(chǎng)合的測(cè)距要求。