8254在高速公路超声波测速中的应用

　　1 引言

　　超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它是由与介质相接触的振荡源所引起的, 其频率在 20KHz 以上。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性, 由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点,常用于测量物体的距离、厚度、液位等。超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关,它在空气中的传播速度大概为340m/s。发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,其所经历的时间长短与超声波传播的路程的远近有关,测试传输时间可以得出距长。利用超声波特性、单片机控制、电子计数相结合可以实现非接触式测距。由于超声波检测迅速、方便、计算简单,且不受光线、电磁波、粉尘等的干扰,其测量精度较高。

　　2 超声波测速原理

　　目前大多数的超声波测距系统都是采用单片机作为控制核心，利用超声波传感器发出超声波信号，超声波碰到障碍物后反射回来，传感器接收到回波，单片机通过对发射波和回波的查询，或利用发射波与回波触发中断，来开关定时器测出发射波和接收到回波的时间差t，从而计算出定点离障碍物的距离s=ct/2,式中的 c 为超声波波速。根据超声波测距原理，在一个时间间隔△t (△t 的大小应根据被测物体的运动速度的大小而定)前后向被测车辆各发射一个超声波，可分别测定s1 和s2两个距离，进而由公式v=(s1-s2)/△t 计算得到被测车辆的运动速度和运动方向。由于超声波也是一种声波，其声速 与环境温度有关，即，其中，T-绝对温度;C0=331.4 m/s。

　　表1 列出几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可以认为声速基本不变。如果测量精度要求很高，则可以通过温度补偿方法进行校正。

　　由表1 可知，超声波在空气中的传播速度很快，均在300m/s 以上。由于一般的单片机时间分辨率不是很高(晶振频率为12MHz 时，时间分辨率为1μs)，加之单片机查询发射波与回波，或利用发射波与回波触发中断再通过程序启停内部定时器均需要一定的时间，所以这种类型的测距系统的误差都较大，导致其性能在某些场合下不能满足要求。引入专用的定时/计数器8254 进行计时，可在很大程度上提高测速系统的准确性。

　　3 定时/计数器8254

　　8254 是专用的定时器芯片，有3 个独立的16 位可编程计数器，每个计数器可按二进制或 BCD 编程，实现减法计数，使用非常灵活，功能非常强大。8254 通过对加在其CLK 输入引脚的脉冲进行计数，脉冲最高频率可以达到 10MHz，并且可以利用硬件或软件的办法任意启动或停止计数，利用8254 进行计时，时间分辨率更高，如输入4MHz 的计数脉冲，其时间分辨率可达到0.25μs。