基于51單片機(jī)超聲定位系統(tǒng)的設(shè)計

李朋

摘要：裝置基于 AT89C51 單片機(jī)的高精度超聲波定位電路的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，提高其測量精度，同時降低能耗。系統(tǒng)利用的STC89C51 芯片采用 CMOS 8 位的微控制處理器，使STC89C51 能靈活的應(yīng)用于系統(tǒng)中的控制、監(jiān)測以及顯示的模塊化系統(tǒng)中；采用 LCD1602 液晶顯示測量電流值，可以方便讀取坐標(biāo)值。設(shè)計系統(tǒng)通過 AT89C51 單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的收集、整理，并通過 LCD1602顯示所測坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：超聲波；測距；定位；精度；功耗

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）33-0243-02

目前超聲波定位的研究已趨成熟，超聲波定位系統(tǒng)也應(yīng)有導(dǎo)航，測距等很多領(lǐng)域。由于超聲波在空氣介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生的衰減比較大，它一般僅適用于在比較小的范圍內(nèi)對進(jìn)行距離測量。通常，超聲波在空氣介質(zhì)中的傳播距離非常短，只有幾十米。目前，較短距離范圍內(nèi)的超聲波測距系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際生活中得到了極為普遍的應(yīng)用，它的測距精度可以精確到厘米級[1-2]。但是超聲波定位在高精度、低能耗方面還有待提升。為了使超聲波定位系統(tǒng)在性能方面有進(jìn)一步的提高，本系統(tǒng)在原有的基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，將單片機(jī)技術(shù)與超聲波技術(shù)相結(jié)合，采用AT89C51單片機(jī)的高精度超聲波定位電路的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，從而達(dá)到低能耗，高精度的設(shè)計目的。

1 研究思路及目的

超聲波定位裝置已經(jīng)進(jìn)入到汽車導(dǎo)航，超聲探測等各個領(lǐng)域，就目前來看超聲波系統(tǒng)還存在一些高能耗，低精度的問題。為了解決這些問題，本系統(tǒng)將超聲波定位系統(tǒng)與單片機(jī)最小系統(tǒng)相結(jié)合，AT89C51芯片能夠快速的執(zhí)行程序并及時反應(yīng)。系統(tǒng)采用了兩個超聲波模塊對目標(biāo)物體進(jìn)行定位，使得定位坐標(biāo)更加精確。為了使坐標(biāo)能夠更加清楚地展現(xiàn)出來，系統(tǒng)利用LCD1602將測量的位置坐標(biāo)展現(xiàn)出來。由于單片機(jī)最小系統(tǒng)具有低能耗的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)繼續(xù)保。

2 系統(tǒng)材料

本系統(tǒng)利用了基于AT89C51芯片的單片機(jī)最小系統(tǒng)對超聲波傳感器的控制進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，意在解決目前單片機(jī)定位系統(tǒng)存在的不足，系統(tǒng)利用多超聲波模塊進(jìn)行定位。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

基于AT89C51的單片機(jī)最小系統(tǒng)（圖1），最小系統(tǒng)利用了STC89C51 芯片其采了CMOS 8 位的微控制處理器，為了便于存儲器在系統(tǒng)中的程序編寫，本系統(tǒng)的采用了編程Flash存儲器，也實(shí)現(xiàn)了較為常規(guī)的程序處理。

2.2 超聲波傳感器

超聲波傳感器的應(yīng)用范圍十分的廣泛，目前應(yīng)用較廣的超聲波傳感器的制作材料主要有兩種壓電晶體即電伸縮和鎳鐵鋁合金即磁伸縮。本系統(tǒng)采用的是第一種，壓電晶體具有可逆性即既可以作為接受信號的裝置也可以作為發(fā)送信號的裝置。在作為發(fā)送傳感器時可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械震蕩從而產(chǎn)生超聲波，在接受信號時有可以將聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，它適用于空氣中工作，其工作頻率一般在20-25kH。

傳感器主要由發(fā)送傳感器、接收傳感器、控制部分以及電源組成。其中發(fā)送傳感器由陶瓷振子[3]換能器（D=15mm）和發(fā)送器組成，如圖2。

其中陶瓷振子換能器的作用是將電振動轉(zhuǎn)換成機(jī)械震蕩產(chǎn)生超聲波能向空氣中發(fā)射并傳播。接收器由陶瓷振子換能器以及接收器和放大電路組成。其中換能器的作用是將接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械震蕩將其轉(zhuǎn)換成電信號，將這種電信號輸出給單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)的內(nèi)部單路以及相關(guān)程序?qū)敵龅碾娦盘栠M(jìn)行處理?？刂撇糠种饕ㄟ^集成電路對超聲波信號的發(fā)射進(jìn)行控制，并判斷接收部分有無接收到反射信號。電源部分，本系統(tǒng)采用了DC12V±10%的外部直流電源供電，經(jīng)過內(nèi)部的穩(wěn)壓電路為傳感器供電。

3 超聲波定位系統(tǒng)

3.1 供電電源設(shè)計

3.1.1 恒壓設(shè)計

本系統(tǒng)采用了穩(wěn)壓電源直接為系統(tǒng)供電，直接用BY1731 5V直流穩(wěn)壓電源為系統(tǒng)供電，其優(yōu)點(diǎn)在于輸出的電壓穩(wěn)定，而且便于調(diào)節(jié)，能夠有效的控制電壓的輸出范圍，有利于系統(tǒng)整體控制。正常工作時的其電壓可以控制在單片機(jī)的額定工作電壓，不需要加入降壓以及穩(wěn)壓拓?fù)?，降低了系統(tǒng)的能耗。

3.1.2 恒流設(shè)計

本系統(tǒng)采用單片機(jī) AT89C51 進(jìn)行恒流控制。在眾多的單片機(jī)系列中，本系統(tǒng)利用的STC89C51 芯片采了的是 CMOS 8 位的微控制處理器，為了便于存儲器在系統(tǒng)中的程序編寫，本系統(tǒng)的采用了編程Flash存儲器，也實(shí)現(xiàn)了較為常規(guī)的程序處理。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89C51 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超高效的解決方案。

3.2 溫度補(bǔ)償

本系統(tǒng)在常溫工作過程中，會進(jìn)行溫度修訂，在室溫情況下，默認(rèn)長聲波的傳播速度為334m/s。在零攝氏度時每垂直距離上升1m聲速就會提高0.606m/s 本系統(tǒng)為了使超聲波定位的精度更高，工作狀態(tài)更穩(wěn)定，采用了溫度補(bǔ)償?shù)姆绞郊右孕拚?。假設(shè)系統(tǒng)環(huán)境溫度為t，此時的超聲波速度為V，則其計算公式為：

[v=331.5+0.6T（m/s）] （1）

注：v：在 T℃時的音速；T：是攝氏溫度；

3.3 系統(tǒng)定位原理

圖3是超聲波測距的原理圖，單片機(jī)出發(fā)的40kHZ頻率信號，經(jīng)過整形處理后利用超聲波換能器進(jìn)一步處理輸出，歷經(jīng)在介質(zhì)中傳播經(jīng)目標(biāo)物體的反射后被超聲波模塊的接收器接收，接受后該接受信號作為單片機(jī)系統(tǒng)的輸入信號被鎖定，鎖定信號的產(chǎn)生會觸發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)中的中斷程序，中斷程序會返回本次發(fā)射與接收的時間間隔t，將時間輸入到變量寄存器中利用AT89C51芯片預(yù)存的算法程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理計算，將計算結(jié)果通過引腳輸送到LCD1602中顯示出來。有一些因素會影響到本系統(tǒng)的輸出結(jié)果的精確度：

1） 反射波與入射波之間的夾角，由于每一次定位的距離不同所以夾角會隨目標(biāo)物體的位置的變化而變化。

2） 反射物體的體積，如果反射物的體積過大本系統(tǒng)只能精確的測量里系統(tǒng)最近的坐標(biāo)，不能測量物體中心的坐標(biāo)。

3） 換能器對于接受信號的靈敏度。對于換能器的靈敏度是以其可以最小可探測距離來衡量的。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計主要針對目前超聲波定位系統(tǒng)的高能耗、低精度的問題進(jìn)行了設(shè)計研究，將單片機(jī)最小系統(tǒng)和超聲波傳感器相結(jié)合，降低了系統(tǒng)的能耗，也通過多個定位超聲波傳感器提高了系統(tǒng)定位的精確性考慮到溫度對超聲波傳播速度的影響對系統(tǒng)進(jìn)行了溫度補(bǔ)償設(shè)計，從而進(jìn)一步提高了定位的準(zhǔn)確性，通過測試超聲波傳感器的定位精確度可以達(dá)到厘米級。

本系統(tǒng)雖然降低了能耗，但是在系統(tǒng)的精確度方面還存在不足之處，下一步希望可以將濕度等測量條件考慮到系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中去，進(jìn)一步提高超聲波定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

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