51單片機(jī)設(shè)計(jì)測(cè)距儀原理及其簡(jiǎn)單應(yīng)用

-.z51單片機(jī)設(shè)計(jì)測(cè)距儀原理及其簡(jiǎn)單應(yīng)用1、40kHZ超聲波發(fā)射/接收電路綜述40kHZ超聲波發(fā)射電路(1)40kHZ超聲波發(fā)射電路之一，由F1~F3三門振蕩器在F3的輸出為40kHZ方波，工作頻率主要由C1、R1和RP決定，用RP可調(diào)電阻來(lái)調(diào)節(jié)頻率。F3的輸出鼓勵(lì)換能器T40-16的一端和反向器F4，F(xiàn)4輸出鼓勵(lì)換能器T40-16的另一端，因此，參加F4使鼓勵(lì)電壓提高了一倍。電容C3、C2平衡F3和F4的輸出，使波形穩(wěn)定。電路中反向器F1~F4用CC4069六反向器中的四個(gè)反向器，剩余兩個(gè)不用〔輸入端應(yīng)接地〕。電源用9V疊層電池。測(cè)量F3輸出頻率應(yīng)為40kHZ±2kHZ，否則應(yīng)調(diào)節(jié)RP。發(fā)射超聲波信號(hào)大于8m。40kHZ超聲波發(fā)射電路(2)40kHZ超聲波發(fā)射電路之二，電路中晶體管VT1、VT2組成強(qiáng)反響穩(wěn)頻振蕩器，振蕩頻率等于超聲波換能器T40-16的共振頻率。T40-16是反響耦合元件，對(duì)于電路來(lái)說(shuō)又是輸出換能器。T40-16兩端的振蕩波形近似于方波，電壓振幅接近電源電壓。S是電源開關(guān)，按一下S，便能驅(qū)動(dòng)T40-16發(fā)射出一串40kHZ超聲波信號(hào)。電路工作電壓9V，工作電流約25mA。發(fā)射超聲波信號(hào)大于8m。電路不需調(diào)試即可工作。40kHZ超聲波發(fā)射電路(3)40kHZ超聲波發(fā)射電路之三，由VT1、VT2組成正反響回授振蕩器。電路的振蕩頻率決定于反響元件的T40-16，其諧振頻率為40kHZ±2kHZ。頻率穩(wěn)定性好，不需作任何調(diào)整，并由T40-16作為換能器發(fā)出40kHZ的超聲波信號(hào)。電感L1與電容C2調(diào)諧在40kHZ起作諧振作用。本電路適應(yīng)電壓較寬〔3~12V〕，且頻率不變。電感采用固定式，電感量5.1mH。整機(jī)工作電流約25mA。發(fā)射超聲波信號(hào)大于8m。40kHZ超聲波發(fā)射電路(4)40kHZ超聲波發(fā)射電路之四，它主要由四與非門電路CC4011完成振蕩及驅(qū)動(dòng)功能，通過(guò)超聲換能器T40-16輻射出超聲波去控制接收機(jī)。其中門YF1與門YF2組成可控振蕩器，當(dāng)S按下時(shí)，振蕩器起振，調(diào)整RP改變振蕩頻率，應(yīng)為40kHZ。振蕩信號(hào)分別控制由YF4、YF3組成的差相驅(qū)動(dòng)器工作，當(dāng)YF3輸出高電平時(shí)，YF4一定輸出低電平；YF3輸出低電平時(shí)，YF4輸出高電平。此電平控制T40-16換能器發(fā)出40kHZ超聲波。電路中YF1~YF4采用高速CMOS電路74HC00四與非門電路，該電路特點(diǎn)是輸出驅(qū)動(dòng)電流大〔大于15mA〕，效率高等。電路工作電壓9V，工作電流大于35mA，發(fā)射超聲波信號(hào)大于10m。40kHZ超聲波發(fā)射電路(5)40kHZ超聲波發(fā)射電路之五，由LM555時(shí)基電路及外圍元件構(gòu)成40kHZ多諧振蕩器電路，調(diào)節(jié)電阻器RP阻值，可以改變振蕩頻率。由LM555第3腳輸出端驅(qū)動(dòng)超聲波換能器T40-16，使之發(fā)射出超聲波信號(hào)。電路簡(jiǎn)單易制。電路工作電壓9V，工作電流40~50mA。發(fā)射超聲波信號(hào)大于8m。LM555可用NE555直接替代，效果一樣。雙穩(wěn)態(tài)超聲波接收機(jī)電路由于單穩(wěn)態(tài)接收機(jī)無(wú)記憶功能，所以不能用在家用電器的開與關(guān)中，適用面不寬。是一種雙穩(wěn)態(tài)超聲波接收機(jī)電路，它的前級(jí)電路同圖2-186電路完全一樣，只是執(zhí)行電路不同。電路中，由VT5、VT6及相關(guān)輔助元件構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)電路，當(dāng)VT4每導(dǎo)通一次〔發(fā)射機(jī)工作一次〕，觸發(fā)信號(hào)經(jīng)C7、C8向雙穩(wěn)電路送進(jìn)一個(gè)觸發(fā)脈沖，VT5、VT6狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次，當(dāng)VT6從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，VD5截止，VT7截止，繼電器K釋放；當(dāng)再來(lái)一個(gè)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，VT6由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，VD5導(dǎo)通，VT7導(dǎo)通，繼電器K吸合......由于增加了雙穩(wěn)電路，使之用于電燈、電扇、電視等電器遙控成為現(xiàn)實(shí)。調(diào)試時(shí)，在a點(diǎn)與+6V〔電源〕之間用導(dǎo)線快速短路一下后松開，繼電器應(yīng)吸合〔或釋放〕，再短路一下松開，繼電器應(yīng)釋放〔或吸合〕，如果繼電器無(wú)反響，請(qǐng)檢查雙穩(wěn)電路元件焊接質(zhì)量和元件參數(shù)。一般情況下一次即可成功。單穩(wěn)式超聲波接收器電路單穩(wěn)式超聲波接收器電路原理圖，超聲波換能器R40-16諧振頻率為40kHZ，經(jīng)R40-16選頻后，將40kHZ以外的干擾信號(hào)衰減，只有諧振于40kHZ的有用信號(hào)〔發(fā)射機(jī)信號(hào)〕送入VT1~VT3組成的高通放大器放大，經(jīng)C5、VD1檢出直流分量，控制VT4、VT5組成的電子開關(guān)帶動(dòng)繼電器K工作。由于該電路僅作單路信號(hào)放大，當(dāng)發(fā)射機(jī)每發(fā)射一次超聲波信號(hào)時(shí)，接收機(jī)的繼電器吸合一次〔吸合時(shí)間同發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)時(shí)間一樣〕，無(wú)記憶保持功能。可用作無(wú)線遙控?cái)z象機(jī)快門控制、兒童玩具控制、窗簾控制等。電路中VT1β≥200，VT2β≥150，其他元件自定。電路不需調(diào)試即可工作。如靈敏度和抗干擾不夠，可檢查三極管的β值與電容C4的容量是否偏差太大。經(jīng)實(shí)測(cè)，配合相應(yīng)的發(fā)射機(jī)，遙控距離可達(dá)8m以上。在室內(nèi)因墻壁反射，故沒(méi)有方向性。電路工作電壓3V，靜態(tài)電流小于10mA。2單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距原理單片機(jī)發(fā)出超聲波測(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tr，然后求出距離S＝Ct／2，式中的C為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射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最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋*圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲波屬于聲波*圍，其波速C與溫度有關(guān)，表1。列出了幾種不同溫度下的波速。在測(cè)距時(shí)由于溫度變化，可通過(guò)溫度傳感器自動(dòng)探測(cè)環(huán)境溫度、確定計(jì)算距離時(shí)的波速C，較準(zhǔn)確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過(guò)的路程，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間r，即可求得距離5。其系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。單片機(jī)(AT89C51)發(fā)出短暫的40kHz信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，得出時(shí)間t，再由系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)展計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至LED顯示電路進(jìn)展顯示，假設(shè)測(cè)得的距離超出設(shè)定*圍系統(tǒng)將提示聲音報(bào)警電路報(bào)警。AT89C51通過(guò)外部引腳P2．0輸出脈沖寬度為25／us、載波為40kHz的超聲波脈沖串，加到射隨器的基級(jí)，經(jīng)功率放大推動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)射出去。超聲波接收器將接收到的反射超聲波送到放大器進(jìn)展放大，然后用鎖相環(huán)電路進(jìn)展檢波。經(jīng)處理后輸出低電平，送到AT89C51的引腳利用該原理設(shè)計(jì)的實(shí)例：汽車防撞雷達(dá)3．1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)汽車防撞雷達(dá)可以幫助駕駛員及時(shí)了解車周圍阻礙情況，防止汽車在轉(zhuǎn)彎、倒車等情況下撞傷、劃傷。其接收局部硬件電路如圖3所示，發(fā)射、預(yù)置＼控制、顯示局部硬件電路如圖4所示。sP3．2，提供給軟件進(jìn)展處理。經(jīng)過(guò)AT89C51對(duì)接收到的信息進(jìn)展處理后，被測(cè)的距離茬LED上顯示，顯示的數(shù)據(jù)由串口線R*D和T*D輸出到74LSl64，轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)控制LED的顯示，采用動(dòng)態(tài)顯示。兩位LED可表示4．9～0．1m的距離，滿足顯示精度；假設(shè)該距離小于預(yù)置的汽車低速平安剎車*圍(如：1n)或0．5m)，報(bào)警電路發(fā)出適當(dāng)?shù)木嫣崾疽?，由P2．1的輸出控制報(bào)警電路的工作。3．2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)汽車防撞雷達(dá)根據(jù)超聲測(cè)距原理用AT89C51單片機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)。整個(gè)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。軟件設(shè)計(jì)的主要思路是將預(yù)置、發(fā)射、接收、顯示、聲音報(bào)警等功能編成獨(dú)立的模塊，在主程序中采用鍵控循環(huán)的方式，當(dāng)按下控制鍵后，在一定周期內(nèi)，依次執(zhí)行各個(gè)模塊，調(diào)用預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時(shí)子程序，并把測(cè)量的結(jié)果進(jìn)展分析處理，根據(jù)處理結(jié)果斷定顯示程序的內(nèi)容以及是否調(diào)用聲音報(bào)警程序。當(dāng)測(cè)得距離小于預(yù)置距離時(shí)，聲音報(bào)警程序被調(diào)用。圖5所示為程序的流程圖。4結(jié)語(yǔ)利用51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的測(cè)距儀便于操作、讀數(shù)直觀。經(jīng)實(shí)際測(cè)試證明，該類測(cè)距儀工作穩(wěn)定，能滿足一般近距離測(cè)距的要求，且本錢較低、有良好的性價(jià)比。由于該系統(tǒng)中鎖相環(huán)鎖定需要一定時(shí)間，測(cè)得的距離有誤差，在汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用中此誤差為3C111可忽略不計(jì)；但在精度要求較高的工業(yè)領(lǐng)域如機(jī)器人自動(dòng)測(cè)距等方面，此誤差不能忽略，只有通過(guò)改變--些硬件的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波的快速鎖定，使誤差進(jìn)一步減小到0．31llnl，可以滿足更高要求。

T/R-40超聲波傳感器8元/對(duì)

T/R-40防水型超聲波傳感器18元/只

CJ-1超聲波測(cè)距電路模塊:0.24---5米:180元

CJ-1B超聲波測(cè)距電路模塊(232接口):0.24---5米:228元

CJ-2聲波測(cè)距電路板0.3--3m:98元,套件:90元.

CJ-3超聲波測(cè)距學(xué)習(xí)板成品:138.散件:130元(測(cè)距*圍:0.10--4.00米,測(cè)量精度:1厘米)超聲波測(cè)距電路板:0.24---10米:289元

超聲波移動(dòng)物體探測(cè)模塊:60元

單片機(jī)萬(wàn)年歷學(xué)習(xí)板:成品:138

散件:130元超聲波測(cè)距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)一、引言由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能到達(dá)工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息〔距離和方向〕。本文所介紹的三方向〔前、左、右〕超聲波測(cè)距系統(tǒng)，就是為機(jī)器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)距離信息。二、超聲波測(cè)距原理1、超聲波發(fā)生器為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不一樣，因而用途也各不一樣。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。2、壓電式超聲波發(fā)生器原理壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。3、超聲波測(cè)距原理超聲波發(fā)射器向*一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開場(chǎng)計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停頓計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2，這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。三、超聲波測(cè)距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)，單片機(jī)選用8751，經(jīng)濟(jì)易用，且片內(nèi)有4K的ROM，便于編程。電路原理圖如圖2所示。其中只畫出前方測(cè)距電路的接線圖，左側(cè)和右側(cè)測(cè)距電路與前方測(cè)距電路一樣，故省略之。1、40kHz脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射測(cè)距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用UCM40的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號(hào)，這由單片機(jī)執(zhí)行下面程序來(lái)產(chǎn)生。puzel：mov14h,*12h；超聲波發(fā)射持續(xù)200shere：cplp1.0；輸出40kHz方波nop；nop；nop；djnz14h，ret前方測(cè)距電路的輸入端接單片機(jī)P1.0端口，單片機(jī)執(zhí)行上面的程序后，在P1.0端口輸出一個(gè)40kHz的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)三極管T放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHz的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200s。右側(cè)和左側(cè)測(cè)距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口，工作原理與前方測(cè)距電路一樣。2、超聲波的接收與處理接收頭采用與發(fā)射頭配對(duì)的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器IC1A和IC1B兩極放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1R8C3，電容C4決定其鎖定帶寬。調(diào)節(jié)R8在發(fā)射的載頻上，則LM567輸入信號(hào)大于25mV，輸出端8前方測(cè)距電路的輸出端接單片機(jī)INT0端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高，左、右測(cè)距電路的輸出