基于超聲波的距離控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

隋美麗，任小龍

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176）

前言

超聲波能量消耗緩慢、指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播較遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用[1]，本設(shè)計(jì)采用AT89C52為主控芯片設(shè)計(jì)的基于超聲波的距離控制系統(tǒng)，與被測(cè)物體非接觸測(cè)量，可清晰、穩(wěn)定的顯示測(cè)量結(jié)果。并通過(guò)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距系統(tǒng)的移動(dòng)，進(jìn)行距離的控制。

1 系統(tǒng)硬件的選取

硬件電路包括單片機(jī)及顯示電路、超聲波發(fā)射接收電路、步進(jìn)電機(jī)控制電路和溫度補(bǔ)償電路，系統(tǒng)框圖如圖1所示。超聲波傳感器，采用的型號(hào)為ULTD5N-350，工作電壓直流5V，工作電流1.5mA 工作頻率40HZ，測(cè)量范圍3cm-350cm，測(cè)量精度滿足設(shè)計(jì)要求。考慮到功能和成本選取了AT89C52單片機(jī)做主控單元。顯示器選用RT1602C液晶顯示器做顯示器件，可現(xiàn)實(shí)16字兩行顯示。步進(jìn)電機(jī)采用1.8兩相混合式步進(jìn)電機(jī)42H48A-1704S。超聲波的速度和溫度關(guān)系，采用DS18B20作為溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

圖1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)組成框圖

AT89C52是8 位通用處理器[2]，常用管腳有：振蕩器輸入輸出端口 XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳），外接12MHz晶振。復(fù)位輸入端口RST/Vpd，通過(guò)外接電阻電容組成復(fù)位電路。供電端VSS（20腳）和VCC（40腳），接5V電源正負(fù)端。通用 I/O 腳 P0-P3，由軟件定義功能用途。AT89S52的管腳除了電源、復(fù)位、時(shí)鐘接入、用戶(hù)I/O口部分P3外，還有地址總線，數(shù)據(jù)總線和控制總線形式[3]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、顯示子程序和溫度補(bǔ)償子程序組成，其中超聲波發(fā)射、超聲波接收程序和步進(jìn)電機(jī)控制程序在主程序中，主程序用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)總體流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體流程圖

LCD顯示器是利用信號(hào)和電壓改變液晶分子的轉(zhuǎn)動(dòng)，改變光線的傳輸方向特性實(shí)現(xiàn)信息顯示。液晶顯示器具有性能穩(wěn)定、重量輕、功耗低，顯示精準(zhǔn)等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。LCD使用之前須經(jīng)過(guò)復(fù)位程序完成初始化，然后進(jìn)行相應(yīng)的功能設(shè)置，輸入方式設(shè)置，并通過(guò)開(kāi)與關(guān)按鈕實(shí)現(xiàn)顯示設(shè)置，LCD顯示流程圖如圖3所示。

由于超聲波的聲速與環(huán)境溫度有關(guān)，在使用時(shí)，如果環(huán)境溫度變化較小，可認(rèn)為聲速保持不變。但對(duì)于測(cè)距精度要求較高的系統(tǒng)，須采用一定溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行校正。相應(yīng)溫度下的距離可以根據(jù)聲速和超聲波的往返時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。不同環(huán)境溫度下聲速變化關(guān)系如表1所示，溫度補(bǔ)償子程序流程如圖4所示。

圖3 LCD顯示流程圖表1 溫度與聲速的關(guān)系

圖4 溫度檢測(cè)程序流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)上電前檢查和調(diào)試后進(jìn)行了定點(diǎn)測(cè)試和距離控制測(cè)試，結(jié)果如表2和表3所示。經(jīng)過(guò)多輪測(cè)試后，誤差均小于2cm，結(jié)果理想，符合設(shè)計(jì)要求。

表2 定點(diǎn)測(cè)試

表3 距離控制測(cè)試

4 結(jié)論

以AT89C52單片機(jī)做主控單元，設(shè)計(jì)的超聲波的距離控制系統(tǒng)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制測(cè)量距離，溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，并將顯示結(jié)果用LED的形式顯示出來(lái)，通過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量和距離控制，滿足設(shè)計(jì)要求。

同時(shí)該系統(tǒng)測(cè)試處于理想狀態(tài)，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有很多的干擾因素，比如場(chǎng)環(huán)境干擾、時(shí)鐘脈沖頻率傳感器是否和測(cè)量件處于水平位置等，建議在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需采用合理補(bǔ)償手段。