用AT89C2051設(shè)計超聲波測距儀
超聲波測距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如：液位、井深、管道長度等場合。目前國內(nèi)一般使用專用集成電路設(shè)計超聲波測距儀，但是專用集成電路的成本很高，并且沒有顯示，操作使用很不方便。本文介紹一種以AT89C2051或GSM97C2051單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。實際使用證明該儀器工作穩(wěn)定，性能良好。
1 超聲波測距原理
超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t,然后求出距離S=Ct/2，式中的C為超聲波波速。
由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)，表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕ＵＢ曀俅_定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的機(jī)理。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2 AT89C2051的功能特點
AT89C2051是一個2k字節(jié)可編程EPROM的高性能微控制器。它與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51的指令和引腳兼容，因而是一種功能強(qiáng)大的微控制器，它對很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個高度靈活有效的解決方案。AT89C2051有以下特點：2k字節(jié)EPROM、128字節(jié)RAM、15根I/O線、2 個16位定時/計數(shù)器、5個向量二級中斷結(jié)構(gòu)、1個全雙向的串行口、并且內(nèi)含精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器，具有4.25V至5.5V的電壓工作范圍和 12MHz/24MHz工作頻率，同時還具有加密陣列的二級程序存儲器加鎖、掉電和時鐘電路等。此外，AT89C2051還支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式?？臻e時，CPU停止，而讓RAM、定時/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。可掉電保存RAM的內(nèi)容，但可使振蕩器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件復(fù)位。
AT89C2051有2個16位計時/計數(shù)器寄存器Timer0t Timer1。作為一個定時器，每個機(jī)器周期寄存器增加1，這樣寄存器即可計數(shù)機(jī)器周期。因為一個機(jī)器周期有12個振蕩器周期，所以計數(shù)率是振蕩器頻率的 1/12。作為一個計數(shù)器，該寄存器在相應(yīng)的外部輸入腳P3.4/T0和P3.5/T1上出現(xiàn)從1至0的變化時增1。由于需要二個機(jī)器周期來辨認(rèn)一次1到 0的變化，所以最大的計數(shù)率是振蕩器頻率的1/24，可以對外部的輸入端P3.2/INT0和P3.3/INT1編程，便于測量脈沖寬度的門。
充分利用AT89C2051的片內(nèi)資源，即可在很少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。
3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
超聲波測距儀的硬件電路如圖2所示。
AT89C2051通過外部引腳P1.6輸出脈沖寬度為250μs，載波為40kHz的10個脈沖的脈沖群，以推挽形式加到變壓器的初級，經(jīng)升壓變換推動超聲波換能器發(fā)射出去。在發(fā)射的同時，P1.7輸出一個高電平啟動，給電容C4充電。發(fā)射結(jié)束時高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，C4開始對R2、R3組成的分壓器放電并輸出到比較器的負(fù)端。超聲波接收換能器將接收到的障礙物反射的超聲波送到放大器進(jìn)行放大，這是一個高增益、低噪聲放大器，在對放大后的信號進(jìn)行檢波后將檢測回波送到比較器的正輸入端。發(fā)射時P1.7輸出的電平可以抑制比較器的翻轉(zhuǎn)，這樣就可以抑制發(fā)射器發(fā)射的超聲波直接輻射到接收器而導(dǎo)致錯誤檢測。
圖3是超聲波測距原理的波形圖，從圖中可以看到，測出回波和發(fā)射脈沖之間的時間間隔，利用S=Ct/2就可以算出距離，再在LCD上顯示出來。當(dāng)然還可以設(shè)置若干個鍵，以用來控制電路的工作狀態(tài)。限制系統(tǒng)的最大可測距離存在四個因素：超聲波的幅度，反射而的質(zhì)地，反射而和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
AT89C2051單片機(jī)和其開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)具有語言簡潔、可移植性好、表達(dá)能力強(qiáng)、表達(dá)方式靈活、可進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計、可以直接控制計算機(jī)硬件、生成代碼質(zhì)量高、使用方便等諸多優(yōu)點。超聲波測距儀就是用AT89C51單片機(jī)開發(fā)設(shè)計的。它采用模塊化設(shè)計，由主程序、發(fā)射子程序、查蟓接收子程序、定時子程序、顯示子程序等模塊組成。
圖4和圖5分別為主程序和測量子程序的框圖。該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當(dāng)按下測量鍵時，主程序開始調(diào)用發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時子程序，并把測量結(jié)果用顯示子程序在液晶屏上顯示出來。
必須指出的是，由于液晶要使用同一P3口，所以必須全部使用位操作，否則將導(dǎo)致LCD不能正常顯示。另外，在系統(tǒng)還可以加入溫度傳感器來監(jiān)測環(huán)境溫度，把表1所列的數(shù)據(jù)做到程序中可進(jìn)行溫度被償。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)在軟硬件上采用一些特殊措施。限于篇幅，下面僅給出部分程序，感興趣者可與作者聯(lián)系。
# pragma DB OE CD OT(5,SPEED) ROM(LARGE)IV
/*連接所需要的庫*/
#include<reg52.h>
#include<absacc.h>
#include<stdio.h>
/*定義數(shù)據(jù)類型*/
typedef unsingned char byte;
typedef unsigned int word
#define uchar unsigned char
#define unint unsigned int
#define ulong unsigned long
/*定義系統(tǒng)常數(shù)*/
#define TRUE 1
#define FALSE 0
#define C=340 /*聲速*/
/*定義功能位*/
sbit bflag=ACC7;
sbit VOLCK=P1^5;
sbit MING=P3^5;
sbit QUIET=P1^3;
sbit BACK=P1^2;
/*定義顯示緩沖區(qū)*/
uchar idata ON[16]={’，’L’，’E’，’N’，’G’，’T’，’H’，’=’,’8’,’.’,’8’8’,’m’,’’,’’,’’};
/*主程序用延時子程序*/
woid main-delay(void)
{
register i;
TRO=1;
for(i=0;i<15;i++)
{
TH0=0;
TL0=0;
Do{}while(!TF0);
TF0=0;
}
TR0=0;
}
*/通用延時子程序*/
void delay(void)
{
unint i;
for(i=0;i<200;i++){;}
}
/*鍵盤延時子程序*/
void key-delay(void)
{
unint i;
for(i=0;i<200;i++){;}
}
/*初始化程序*/
void start_main()
{
tegister i;
uchar a[16]={’’，’L’，’E’，’N’，’G’，’T’，’H’，’=,’8’,’.’，’8’，’8’，’m’,’’,’’,’’};
for(i=0;<16;i++)
{ON[i]=a[i];}
nitlcd();/*初始化液晶*/
display(ON);/*更新顯示*/
}
/*主程序*/
void main()
{
register s,keycode;
long idata t;
start-main();/*初始化*/
main-delay();/*延時*/；
if(keycoed= =true)
{
keycode=key-scan-wait();
/*判斷是否有測量鍵按下*/
t=measure();*/測量*/
S=0.5*t*C;*/換算*/
Decode-bcd(s.0x09);
/*把測量結(jié)果置換入顯示緩沖區(qū)*/
init-lcd();/*初始化液晶*/
display(ON);/*更新顯示*/
}
}
5 結(jié)束語
雖然用一個單獨計時器電路也可以測量超聲波的傳輸時間，但利用AT89C2051單片機(jī)可以簡化設(shè)計，便于操作和直觀讀數(shù)。該系統(tǒng)經(jīng)實際測試證明，可以滿足大多數(shù)場合的測距要求。
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