基于单片机的超声波测距系统的设计

摘要：基于超声波实现无接触式测距原理，介绍了一种基于单片机控制的超声波测距系统的设计方法。由单片机软件产生40kHz超声波，并测量回波时间，可精确到us级。为提高测距精度，采取了温度补偿、角度补偿措施。实验表明系统具有较高的测量精度和实用价值。
关键词：起声波；测距；单片机

O 引言
    超声波是指频率大于20 kHz的在弹性介质中产生的机械震荡波。由于超声波频率较高，穿透力强，指向性强，传输过程中衰减少，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，遇到杂质或分界面时会产生反射波，因此常被用于非接触式测距。并且超声波对光线、色彩和电磁场不敏感，因此超声波测距对环境有较好的适应能力。广泛应用于汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量、管道长度测量等需要自动进行非接触测距的场合。

1 超声波测距原理
    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、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。  1/2    1 2 下一页 尾页