基于单片机的超声波测距系统设计及实现_c51单片机超声波测距原理 - CSDN文库

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基于单片机的超声波测距系统设计及实现基于单片机的超声波测距系统设计及实现

超声波频率较高而波长短，因而具有束射特性，可沿直线传播、方向性好、绕射小、穿透力强、传播速度慢，

而且遇到杂质或分界面时会产生反射波。正由于超声波具有以上特点，所以在测量领域，他的应用范围越来越

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超声波频率较高而波长短，因而具有束射特性，可沿直线传播、方向性好、绕射小、穿透力强、传播速度慢，而且遇到杂质或

分界面时会产生反射波。正由于超声波具有以上特点，所以在测量领域，他的应用范围越来越广泛。

1 超声波测距原理

超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。

本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个

共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，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，就

成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距

离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

Pellarn和Galt于1946年提出了脉冲回波法，其工作原理是：用超声脉冲激励超声探头向外辐射超声波，同时接收从被测物体

反射回来的超声波（简称回波），通过检测或估计从发射超声波至接收回波所经历的射程时间ToF（Time of Flight），按下式

计算超声波探头与被测物体之间的距离d,即：

其中c为声波在空气介质中的传播速度。

2 系统构成

本系统硬件电路由单片机单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、测温电路、显示电路、报警电路等构成，如图1所示。

3 系统程序设计

3.1 主程序

主程序首先对系统环境初始化，设置定时器TO工作模式为16位定时/计数器模式，总中断允许位置1并给显示端口清0;然后调

用超声波发生子程序送出若干个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起直射渡触发，从发射开始一直

到"虚假反射波"结束这段时间内，不开放外部中断（INTO）申请，便可有效躲避干扰，但同时也会造成测试"盲区".假设延时

约0.1 ms后，才打开外部中断接收返回的超声波信号，当温度为20℃，测量盲区为d=1×10-2×344=1.72 cm.

3.2 超声波发生子程序和接收子程序

超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送超声波换能器所需的40kHz的方波信号（脉冲宽度为12μs左右），同时把计数

器TO打开进行计时。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行准确，所以采用汇编语言编程。

超声波接收子程序利用外部中断O检测返回超声波，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入中断服

务子程序，关闭定时器TO停止计时，并将测距成功标志位赋值1.如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则说明障

碍物过远，超出量程，将关闭外部中断，并标志此次测距不成功。

最大测试距离将取决于：两次脉冲群发送之间的最小时间间隔和脉冲的能量。一般来说，发射端脉冲个数越多，能量越大，所

能测量的距离也越远。但也不是无限制的，本方案是读取定时器TO的计数值，最大能测试的距离是TO尚未溢出时检测到超声

波回波信号，故在温度20℃下，最大测试距离为。在一些周期性发射超声波设备中，如果要测试的最大距离是10 m,则两次脉

冲群之间的最小时间为。

由于采用12 MHz的晶振，机器周期为1μs,当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器TO中的数值按式（1）计算，即可

测得被测物与测距仪之间的距离，取20℃时的声速为344 m/s.则有：

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