超聲波587485406

1、7接口超聲波距儀是一種利用超聲波來測量超聲傳感器到障礙物之間距離的儀器。我們知道聲波可以在空氣中傳播，其傳播速度在室溫下大約為345m/s。在聲波傳播過程中如果遇到障礙物時會反射，聲波的這個特性是“聞其聲不見其人”的原理所在。人耳所能聽到的聲音頻率范圍為20HZ-20KHZ。低于20HZ的聲波稱為次聲波，如圖9-26所示，在障礙物一段距離之外有一個超聲波發(fā)射器TX和一個超聲波接收器RX。TX能發(fā)射超聲波，超聲波從TX發(fā)出后介質(zhì)中傳播（如空氣），遇到障礙物時超聲波發(fā)射，并被RX接收。這時RX輸出一個信號表示接收到反射回來的超聲波?？梢韵胂?，如果TX和RX處于同一平面與障礙物距離相等，則從TX發(fā)射

2、超聲波到RX接收到反射回來的超聲波有一個時間差t ，并且超聲波的傳播速度V是已知的（空氣中340m/s），則超聲波發(fā)射/接收器與障礙物之間的距離D=（V×t）/2.把以上的測距過程與單片機聯(lián)系起來：如果單片機控制Tx發(fā)出超聲波時開始計時，當(dāng)Rx接收到超聲波時單片機停止計時，就可以得出t，再應(yīng)用單片機的乘法指令，將t乘以速度V，再除以2即可得到距離D。這就是為什么單片機可以應(yīng)用于超聲測距的基本原理。有人可能會問為什么不利用人耳能聽到的聲波（20hz20khz）來測量距離呢？原因是如果使用這種聲波，其頻率與測量環(huán)境中的噪音如人的說話聲、汽車的聲音等重疊在一起，勢必造成聲波接收器無法判斷哪

3、一個才是障礙物反射的聲波信號。但如果使用超聲波。則一般背景噪聲就不會造成什么影響，因為接收器只對超聲波“敏感”。目前結(jié)合單片機的超聲波測距技術(shù)已經(jīng)很成熟，并廣泛應(yīng)用于兒童電視寶（視力保護(hù)儀）、液位測量、倒車防撞器、機器人等，如圖9-27所示。本節(jié)將要討論的實例是一個如圖9-28所示的超聲波測距儀，該系統(tǒng)中由單片機控制超聲波發(fā)射超聲波并計時，當(dāng)超聲波接收器接收到回波信號后單片機根據(jù)時間差計算距離，并通過七段數(shù)碼管來顯示。系統(tǒng)發(fā)射的超聲波頻率約為40khz，功率低，對生物沒有不良影響。明確單片機系統(tǒng)功能首先根據(jù)需要規(guī)劃系統(tǒng)的功能和實現(xiàn)方法：超聲波頻率=40khz，即周期=25us。為了方便計算，可

4、以從單片機的P1.0口輸出周期=24us的方波信號，該信號通過適當(dāng)?shù)尿?qū)動電路來推動超聲波發(fā)射器tx發(fā)射超聲波，如圖9-29所示。根據(jù)前面的經(jīng)驗，可以同Timer對P1.0口的高、低電平分別進(jìn)行12us的延時實現(xiàn)信號的輸出。為了保證回波的質(zhì)量，P1.0口連續(xù)輸出20個方波作為Tx的發(fā)射脈沖信號。根據(jù)發(fā)射脈沖信號的周期和個數(shù)，可以得到20個脈沖發(fā)射的時間為：其中T為脈沖信號的周期，n為脈沖個數(shù)。換句話說，單片機需要480us完成超聲波的發(fā)送，之后進(jìn)入等待接收回波的過程。此時單片機的Timer用作定時器開始計數(shù)，并載入計數(shù)初始值000H。發(fā)射出去的超聲波遇到障礙物后被反射回來，并被超聲波接收器檢測到

5、，而輸出一個接收脈沖信號，如圖9-30所示。該信號經(jīng)過電路的調(diào)理后由單片機的I/O口檢測到，隨即停止Timer。Timer中的當(dāng)前計數(shù)就是超聲波從發(fā)射到接收的時間差t，單位為us（晶振頻率=12Mhz）。之后，可以利用程序計算出距離值并顯示。顯示完成后，單片機開始新一次的超聲波脈沖發(fā)射與接收過程。硬件設(shè)計通過對系統(tǒng)功能的分析，可以規(guī)劃硬件電路包括幾個部分：超聲波發(fā)射器及其驅(qū)動電路、超聲波接收器及信號調(diào)理電路、單片機最簡系統(tǒng)、兩段七段數(shù)碼管等。整個超聲波測距儀的系統(tǒng)電路圖如圖9-31所示。如圖9-31所示，超聲波測距儀系統(tǒng)電路圖相當(dāng)復(fù)雜，但如果學(xué)習(xí)過模擬和數(shù)字電路的知識，仔細(xì)對圖9-31進(jìn)行分析

6、還是能理解每個模塊的功能和原理的?？梢韵仍囍鴮W(xué)習(xí)以下的分析。如果對模擬和數(shù)字電路內(nèi)容不清楚，可以參考電子設(shè)計從零開始一書或者跳過以下的電路原理分析。首先看熟悉的單片機電路部分，如圖9-31所示。該部分由單片機最簡單系統(tǒng)和兩位七段數(shù)碼管組成，單片機與七段數(shù)碼管通過解碼器7447接口，七段數(shù)碼管用于顯示最終 測量距離數(shù)值。單片機的P1.0口輸出的是發(fā)射脈沖。在同一張電路圖中，具有相同網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號。mit的導(dǎo)線在電氣上是連通的，所以單片機的P1.0口與-31（a）中的Transmit端在電氣上是連通的.單片機的P1.2口則用于接收回波信號，它與也是圖9-31（b）中的Receive端也是連通的。在看圖9

7、-31（a）的超聲波發(fā)射器及其驅(qū)動電路部分，為了方便分析，圖中還加上拉電路節(jié)點的波形示意圖，由CD4069構(gòu)成的4個反向器用于驅(qū)動超聲波發(fā)射器TX，之所以使用兩兩并聯(lián)的方式是為了讓TX在發(fā)射超聲波時得到足夠的功率。兩個三極管2SC1815起到電平匹配的作用，將單片機I/0口的高電平+5V提高至菜單069所需要的輸入高電平+9V左右。與非門CD4011將輸入的方波信號分解出一個反相信號，這一正一反的信號的由反向器CD4069的驅(qū)動后，通過電容C1的相移作用產(chǎn)生180度的相差，于是正反信號疊加成一個具有正負(fù)電平的脈沖信號作為超聲波發(fā)射器信號。這個過程中，從單片機的P1.0口輸出電平范圍0+5v的方波信號，通過圖9-31（a)的驅(qū)動電路可以使超聲波發(fā)射器tx兩段獲得-9+9V發(fā)射脈沖，該脈沖信號通過TX