超声波测距原理如图1所示。
图1 超声波测距原理
式中c--超声波波速:t--从发射出超声波到接收到回波所用时间。
表1 声速与温度的关系表
将测量的速度数据与温度数据进行一阶拟合得出:
本系统采用AT89C52单片机作为主控制器,使用3位数码管作为系统显示屏,超声波发射驱动需要的40 kHz脉冲由单片机P0.0发出,使用定时器进行计时和控制,超声波接收使用CX20106A作为接收主控芯片,使用DS18B20作为温度传感器进行温度校正。超声波测距器的系统原理图如图2所示。
图2 系统设计原理图
超声波发送模块是由超声波发射探头组成的,单片机的P0.0端口直接发送40 kHz的信号,使用9012三极管做为驱动放大,驱动压电晶片超声波换能器产生超声波,超声波发射电路如图3所示。超声波发射子程序的流程是,发射时首先装填计时器,并且开始计时,当超声波发射完毕时,定时器计时完毕,并且重新装填等待下次发射。
图3 超声波发射电路
该系统的超声波接收模块是由超声波接收探头和红外线接收处理芯片CX20106A组成。如图4所示。超声波接收子程序的流程是,利用INT0中断检测回波信号,若有回波信号(INT0口低电平)就关闭外部中断,同时停止计时器的计时,将测距成功标志位标记为1(测距成功),同时提取时间值,计算待测距离,保存终结果后打开外部中断,等待下次测量。
图4 超声波接收电路
在显示模块选择时有两种,一种是用液晶显示屏,其具有轻薄短小,分辨率高,可显示汉字等各种符号的优点。但一般需要利用创建字符库,编程工作量大;一种则是选用数码管,数码管具有低电耗、寿命长、易于维护的特点,同时精度比较高,称量快,可靠,编程容易,操作简单。缺点是不能实现汉字及多数据多行显示。综合考虑本次设计中选择了3位数码管显示。用PNP型三极管驱动数码管,并连接到单片机AT89C52的P0口上作位选。虽然显示上没有液晶显示屏那么完全,但是也能够完整直观地显示出需要的结果。图5为超声波测距硬件设计的显示电路。
图5 超声波测距显示电路
温度补偿电路的设计如图6所示,数据输入/输出脚连接到单片机的P0.1脚,电源接口接入+5 V的电压,外加5.6 kΩ的上拉电阻,因为DS18B20是单总线温度传感器,数据线是漏极开路,如果DS18B20没接电源,则需要数据线强上拉,给DS18B20供电;如果DS18B20接有电源,则需要一个上拉即可稳定的工作。由于DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的内,检测的温度值在内部进行转换,温度测量结果直接以数字信号输出,单片机对由DS18B20输出的信号进行读取,经过软件对温度数字值实现处理。
图6 温度补偿电路
该系统主电路原理图如图7所示,单片机采用89C52系列,单片机使用外部时钟源,外接6MHZ的晶振,由P0.0口直接输出40 KHZ的驱动信号给放大电路。接收到回波后,经由CX20106的滤波,产生中断信号,并由p3.2口输出进行中断。显示电路采用简单实用的3位数码管,连接单片机AT89C52的P0口,而三极管连接P2口,作数码管的位选。工作时,首先将系统初始化,启动计时器。并由P0.0脚发出40KHZ的驱动信号,同时打开INT0中断,并且开始等待接收到的回波和中断信号,若接收到回波(单片机接收到中断信号),计时器停止计时,保存时间信息,并且根据温度补偿计算出当前环境下的声速,计算出当前待测距离后储存,并调用显示子程序。测出距离后结果将以十进制BCD码方式传送到LED显示,然后再发超声波脉冲重复测量过程。
图7 超声波测距主电路图
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