基于AT89C51单片机的超声波测距系统

　　超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如液位、井深、管道长度等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。本文介绍一种以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。

　　超声波测距原理

　　超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于共振法的应用要求复杂，在这里使用脉冲反射式。超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为c，而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即：S=ct /2。这就是所谓的时间差测距法。

　　由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，附表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

　　声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离，这就是超声波测距系统的原理。

　　系统硬件电路设计

　　ATMEL公司的AT89C51单片机，是一种低功耗、高性能、片内含有4 KB Flash ROM的8位CMOS单片机，工作电压范围为2.7～6 V(实际使用+5 V供电)，8位数据总线。它有一个可编程的全双工串行通信接口，能同时进行串行发送和接收。通过RXD引脚(串行数据接收端)和TXD引脚(串行数据发送端)与外界进行通信。本超声波测距系统以AT89C51为中央处理器，其系统原理框图如图1所示。

　　系统上电工作后，由脉冲发生器发出脉冲信号，该脉冲信号一方面通过驱动的电路推动脉冲发生器发出超声波脉冲，另一方面，触发AT89C51内部定时器T1(由外部中断INT0实现)开始定时;同时由AT89C51控制按时间自动改变放大器增益，即按发射波未到达接收器的传播时间逐渐增大放大器增益。接收到的超声回波经过放大和滤波后，一是直接送给鉴幅器，二是经峰值保持电路提取回波峰值作为阈值的基准信息。AT89C51通过ADC0809采样回波峰值，经过软件加权处理后作为鉴别阈值，再经过DAC0832送给鉴幅器。当回波包络中某个波被鉴别出来时，则立即触发外部中断INT1关闭定时器T1，同时，P1.1设置检测窗口。由T0计数器窗口内鉴别回波个数n，根据n确定下次鉴别给定值的大小，闭环控制至n≤5为止。然后从补偿值表中取出与n对应的补偿值，对T1的计时时间(实际上这是从发射超声波到接收到第一个鉴别回波之间的计数值，计数周期为1μs，12 MHz晶振)进行修正，获得超声波实际的往复传播时间，再通过3B浮点运算求出距离，由AT89C51串行通信口送LED显示。本系统每隔5 s采样一次环境温度，以修正声速，所以本系统还设有温度传感器来监测环境温度，把附表所列的数据做到程序中可进行温度补偿。