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超声波测距系统的设计传感器文摘布拉福德:1993年第13页摘要：超声波测距技术在很多领域有着广泛的使用价值，例如，工业区域，车载导航和声呐工程。现在，它已被用于液位测量，自导自主车，野外作业机器人汽车导航，空中和水下目标探测，识别，定位等。因此，深入地了解测距理论和方法具有重要的实践意义。为了改善超声波测距系统的精度,满足工程人员对测距精度、绑定和使用的要求,设计开发了基于单片机的便携式超声波测距系统。关键词：超声波测距系统 单片机1.前言 随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市的排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因，综合时间上许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。 2.SCM描述微控制器(MCU)是一种单片计算机，同通用微处理器（在PC中使用的那种）相比较，它是一种强调自给自足和成本效益的微处理器。如今是用的大部分都是计算机嵌入式系统，例如，一个嵌入式系统通常具有最小的内存和程序长度，可能需要要求简单，但不寻常的I/O系统。例如，大多数嵌入式系统缺乏键盘，屏幕，磁盘，打印机或个人计算机的其他可识别的I / O设备，它们可控制电动机，继电器或电压，并读取开关，可变电阻器或其他电子设备。通常，我们唯一可读的I / O设备是一个单一的光光二极管，并且严峻的成本或功率限制，甚至可以忽略不计。与通用处理器相比，微控制器没有地址总线和数据总线，因为他们把在同一芯片上所有的RAM和非易失性存储器作为CPU。因为他们需要更少的引脚，芯片可以放置在一个更小，更便宜的包。在一个芯片上集成的内存和其他外围设备并且把它们作为一个单元进行测试增加了芯片的成本，但通常总体上会导致嵌入式系统净成本的降低（即使一个已集成外设的CPU的成本比一个CPU+外围设备的成本略高，其具有更少的芯片通常允许更小和更便宜的电路板，并减少了组装和测试电路板所需的劳动力） ，这种趋势导致了这种设计。微处理器是一个集成电路，通常伴有以下特点： 中央处理单元-从小型，简单的4位处理器的复杂的32-or64-bit处理器 输入/输出接口，如串口（UART） 其他像IC串行通讯接口 串行外围接口和系统控制器区域网络互连设备如定时器和看门狗 数据存储RAM 程序存储ROM、EPROM、EEPROM或Flash memory时钟发生器通常为石英计时晶体振荡器、时间晶体谐振器或RC电路，包括模拟-数字转换器这种集成大大减少了芯片的数量和布线量及PCB空间,并且用来生产独立芯片的等效系统。在上世纪70年代，这种设计已被证明是在嵌入式系统中非常受欢迎。一些微控制器可以使用哈佛结构：独立指令和数据存储器总线，允许访问同时发生。而决定外围由哪些设备集成通常比较困难。微控制器厂商为满足客户及市场化需求，经常更改系统的操作频率和设计的灵活性及降低整个系统成本。制造商必须在芯片数量减少和又要增加附加功能之间取得平衡。3 .超声波测距的原理3.1压电式超声波发生器的原理压电式超声波发生器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构由两个压电晶片和一个共振板构成。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片固有的振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。3.2超声波测距的原理超声波发射器向一个方向发射超声波,同时计数器开始计时,超声波在空气中传播,遇到障碍物立即返回,超声波接收器接收到回波时立即停止计时。超声波在空气中传播340米/秒的速度,根据计时器记录的时间 t,我们可以计算出发射点到障碍物的距离（s）,那就是:s= 340 t / 24.超声波测距系统的第二电路设计自问世以来，这种系统主要体现的是单片机对超声波发射器和超声波接收器的控制作用。选择8751单片机，经济适用，芯片有4K的ROM,便于编程。电路原理图如图所示电路原理图4.1 40 kHz和发射超声波脉冲生成测距系统使用的超声波传感器为压电陶瓷传感器UCM40,其工作电压的脉冲信号是40kHz，由单片机运行以下程序来生成。Puzel: MOV 14h,#12h;超声波发射持续200毫秒Here: CPL p1.0;输出40kHz方波 NOP; NOP; NOP; DJNZ 14h,Here; RET由单片机P1.0输入端口链接终端测距电路，单片机执行上述程序，在P1.0口产生一个40kHz的脉冲输出信号，经放大晶体管T后，该驱动程序来发射第一个超声波UCM40T ，超声波脉冲频率为40kHz，并持续发射200ms的。测距电路的左右两边分别接输入端口P1.1和P1.2 ，工作原理和电路和前面相同。4.2超声波的接收和处理通常接收第一次发射的回波UCM40R,超声波脉冲调制信号转换为交变电压，运算放大器的放大IC1A和后偏振器IC1B到IC2.IC2锁定回路音频解码芯片LM567 ，电容器的内部电压控制振荡器的中心频率F0 = 1/1.1R8C3 。电容C4确定目标的带宽。 LM567上的R8变阻器载体频率的输入信号大于25mV的，从高到低跳跃输出，作为中断请求信号提供给单片机处理。单片机终端电路输出端口INT0中断具有最高优先级，IC3A的输出电路输出门的左右位置访问单片机的INT1端口，单片机P1.3和P1.4接收到IC3A的输入 ，通过这个过程来识别中断的来源，并处理中断，中断优先级先左后右。部分源代码如下：Receive 1: PUSH PSW PUSH ACC CLR EX1;外部中断1设置 JNB P1.1,right；P1.1引脚为0 ，从右边中断服务程序电路 JNB P1.2,left;P1.2引脚为0时，从左边中断服务程序电路Return； SETB EX1;开中断1 POP ACC POP PSW RETI Right:.;右端电路中断服务程序入口位置 AJMP ReturnLeft:.;左端电路中断服务程序入口位置 AJMP Return4.3超声波传播时间的计算当超声波开始发射时，同时启动单片机上的T0定时器，利用定时器的计数功能记录的时间以及推出超声波反射波接收的时间。当您收到反射回来的超声波波时，接收电路输出在INT0或INT1端部的负跳中断请求产生一个信号，单片机响应外部中断请求，外部中断服务子程序的执行，读取的时间差，计算它的源代码的distance.Some如下：RECEIVE 0： PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0;外部中断0 MOV R7,TH0;读入时间值 MOV R6,TL0; CLR C MOV A,R6 SUBB A,#0BBH;计算时间差 MOV 31H,A;存储时间 MOV A,R7 SUBB A,#3CH MOV 30H,A SETB EX0;开中断0 POP ACC POP PSW RETI目标距离的测量通常由两个阶段组成：粗测量和精细测量。具体如下：第一步：脉冲串的传输，产生一个简单的超声波。第二步：根据公式更改两个回波放大器的增益，直到回波被检测到。第三步：观察两个回波的幅度和过零点的次数。第四步：以标准化输出3伏的电压来设置两个回波放大器的增益。 根据回声设定的下一个脉冲的周期。 按照步骤2的数据设置时间窗口。第五步：发送两个脉冲序列，以产生干扰波。检测回波的过零次数 和振幅。如果回波发生相位反转，确定使用波谷附近的值来 代替计算振幅。第六步：用公式计算距离y。5 .超声波测距系统的软件设计软件分为两部分，主程序和中断服务程序。完成主程序的初始化工作后，再按顺序完成超声波发射子程序和超声波接收的子程序。中断服务程序主要完成三个旋转方向的超声波发射，主要的外部中断服务子程序中读取完成的时间值，距离的计算，结果输出等等。6 .结论根据多次测量发现，在平面内30厘米200厘米的