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    基于单片机的超声波测距报警系统设计

    文章出处:汉得利责任编辑:蜂鸣器人气:发表时间:2018-07-30 10:07字体: [ ]

      科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率,它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20~20000Hz。当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时,我们便听不见了。因此,我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”千赢手机版官网|app下载。

      1.超声波测距原理

      超声波是指频率高于20KHz 的机械波。为了以超声波作为检测手段千赢手机版官网|app下载,必须产生超声波和接收超声波千赢手机版官网|app下载,完成这种功能的装置称为超声波传感器。超声波传感器有发送器和接收器,有的也可具有发送和接收声波的双重作用。根据超声波的产生方式,超声波传感器可分为两大类:一类是电气式,如压电式、磁致伸缩式和电动式等;一类是机械式,如加尔统笛、液哨等千赢手机版官网|app下载千赢手机版官网|app下载。目前常用的是压电式超声波传感器。它利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即发射超声波时,将电能转换为超声波发射出去;在收到回波时千赢手机版官网|app下载,将超声振动转换成电信号。

      超声波测距的原理一般采用时间差法,即测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间,再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离,即:

      式中千赢手机版官网|app下载,D—传感器与障碍物之间的距离;c—声波在介质中的传输速度千赢手机版官网|app下载。

      由于超声波易于定向发射千赢手机版官网|app下载、方向性好、强度易控制、与被测物体不需直接接触千赢手机版官网|app下载,故超声波传感器广泛地应用于液体高度测量、汽车倒车等方面。为了提高测量精度,减小误差千赢手机版官网|app下载,根据公式(1)可知,测距误差由传播速度误差和传播时间误差引起。

      当传播速度准确时,传播时间差值精度只要达到微秒级,就可保证测距误差小于1mm千赢手机版官网|app下载。设计中,可采用12MHz 晶体作时钟的基准,单片机定时器的计数精度可达1us千赢手机版官网|app下载,从而保证测量精度。

      传播速度受空气密度的影响,空气密度越高千赢手机版官网|app下载,传播速度越快,而空气密度与温度有密切关系。在理想气体中声波的传播速度c 为:

      式中,γ—气体定压比热容与定容比热容之比;R—气体常数;M—气体分子量;T—绝对温度千赢手机版官网|app下载。

      若温度变化不大,则可认为声速基本不变,其值为340m/s。若测距精度要求较高,为减小温度变化对声速产生的影响,在设计中,应增加温度传感器来监测环境温度,进行实时温度补偿,近似公式为:

      式中,c0—零度时的声波速度332m/s; T—实际温度(℃)。

      2.测距报警系统设计

      2.1 硬件设计

      电路原理图如图1 所示。采用PIC16F73 单片机作为主控制器,实现对CX20106 红外接收芯片(红外常用的载波频率38KHz 与测距超声波频率40KHz 较为接近) 和TCT40 系列超声波转换??榈目刂?千赢手机版官网|app下载千赢手机版官网|app下载。单片机通过端口RB1 控制超声波的发送,然后单片机不停地检测中断端口RB0/INT千赢手机版官网|app下载千赢手机版官网|app下载,当端口RB0/INT 的电平由高电平变为低电平时,系统认为超声波已返回。计数器所计数据即为超声波所经历的时间千赢手机版官网|app下载,通过换算可得到传感器与障碍物之间的距离。超声信号的驱动由单片机定时器完成千赢手机版官网|app下载千赢手机版官网|app下载,LED 数字显示采用动静态驱动相结合的方法实现,报警??椴捎眉虻サ纳獗ň缏?千赢手机版官网|app下载。

      图1 测距报警系统电路原理图

      系统利用单片机的定时器功能产生40KHz 脉冲信号, 并通过端口RB1 输出到超声波发射部分。超声波发射电路中千赢手机版官网|app下载, 六反相缓冲器CD4049 包括6个非门,现仅使用3 个,为防止干扰或被静电击穿导致整个CD4049 损坏千赢手机版官网|app下载,把未使用的3 个非门串起来做接地处理。当控制端输出一系列固定频率脉冲时,在超声波发射器TCT40-1F 上就以固定的频率加正电压和反电压千赢手机版官网|app下载,从而发出大功率的超声波。这种以软件方式产生的波形较用其他方式产生的效果更理想。

      接收器采用与发射器相配对的TCT40-2S, 将超声波调制脉冲转换为40KHz 毫伏级电压信号, 此信号需经过放大处理才能触发单片机中断。芯片CX20106 内置前置放大器千赢手机版官网|app下载、限幅放大器、带通滤波器、检波器千赢手机版官网|app下载千赢手机版官网|app下载、积分器、整型电路等。其中前置放大器具有自动增益控制功能,可保证在超声波传感器接收较远反射信号而输出微弱电压时千赢手机版官网|app下载,放大器有较高的增益,而在近距离输入信号强时,放大器不会过载。调节芯片引脚5 的外接电阻R3 的值千赢手机版官网|app下载,可设置滤波器的中心频率千赢手机版官网|app下载。当RB3=200K时千赢手机版官网|app下载,中心频率为42KHz;当RB3=220K 时千赢手机版官网|app下载,中心频率为38KHz。当接收到与滤波器中心频率相符的信号时,引脚7 输出一个低电平千赢手机版官网|app下载,从而触发中断千赢手机版官网|app下载。适当改变引脚2 的外接电容C4 的值千赢手机版官网|app下载,可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力千赢手机版官网|app下载。

      3位LED数码显示采用显示器动静态驱动相结合的方法实现。采用单片机串行口通过74HC164 串入并出移位寄存器来输出LED 的段驱动信号千赢手机版官网|app下载,每个LED 的段信号都连在一起千赢手机版官网|app下载,并与74HC164 输出的段驱动信号连接。每个LED 的位驱动信号由单片机的端口RB5~RB7 通过ULN2004 驱动集成块分别驱动,LED 需用共阴数码管千赢手机版官网|app下载。

      报警??榈墓δ苁乔в只婀偻鴟app下载, 当传感器与障碍物的距离不小于设定值时,绿色指示灯闪亮;反之千赢手机版官网|app下载千赢手机版官网|app下载,红色指示灯闪亮千赢手机版官网|app下载,蜂鸣器发声,提示人员注意安全距离。

      2.2 软件设计

      软件分为两部分:主程序和中断服务程序,流程图如图2 所示。主程序完成初始化工作及超声波发射和接收控制千赢手机版官网|app下载。中断服务程序包括定时中断服务子程序和外部中断服务子程序,分别完成超声波的发射、距离计算及显示报警等工作千赢手机版官网|app下载。

      图2 测距报警系统程序流程图

      3.测试结果

      当距离大于2m 时千赢手机版官网|app下载,绿灯闪亮,显示距离;当距离小于1m 时,红灯闪亮,由端口RB2 驱动蜂鸣器报警千赢手机版官网|app下载,显示距离;当距离介于2m 和1m之间时,红灯闪亮千赢手机版官网|app下载,显示距离千赢手机版官网|app下载。为提高抗干扰能力千赢手机版官网|app下载,系统连续发射超声波千赢手机版官网|app下载,测量三次,从中剔除最大最小值,取中间值计算出距离。

      4.结语

      此系统较好地实现了测距及报警功能千赢手机版官网|app下载,可用于汽车倒车、液位监控等场合千赢手机版官网|app下载,而且测量简单、经济、可靠。

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