免费超声波测距仪的设计(二)

射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离[ 9 ]。考虑实际情况，采用异地脉冲反射式来测距，即需测距离是声波传输距离的一半：
………………………………………………………（4）
式中，L为待测距离，为超声波的声速，t为渡越时间。由下式计算测量误差:
……………………………………………（5）
式中,为测距误差，为声速，为时间测量误差，为声速误差。若要求测距误差小于0.01m，已知声速为344m／s(20℃时)，忽略声速误差，那么测量时间的误差:
 …………………（6）
显然，直接用秒表测时间是不现实的。因此，实现声波测距必须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精度。这里利用单片机定时器计数的方法，间接测量时间，可以把声波传播的时间精度提高到所需的准确度。也就是把对渡越时间的测量转化为对计数脉冲个数N的测量，所以式(4)可写为:
…………………………………………………（7）
式中，S为等效标尺，，为计数脉冲的频率，为声速。所以:
………………………（8）
式中，为晶体振荡器频率[ 13 ]，这里用的是的晶体振荡器，可测得时间为，可见此方法完全合乎要求。
2.4 温度补偿
 由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关。表l列出了几种不同温度下的声速。声速确定后，只要测得超声波往返的时间。即可求得距离。
表1 声速与温度关系表
温度（℃） -30 -20 -10 0 10 20 30 100 
声速（米/秒） 313 319 325 332 338 344 349 386 
 常温常压下，空气近似为理想气体。超声波在理想气体中传播速度为： ，
式中为气体摩尔质量；为气体的比热比；R为气体常数；T为热力学温度[ 10 ]。对于一定的气体、为定值。由公式可知：声速与热力学温度的平方根成正比。温度越高声速越大，温度越低声速越小。0℃ 时，空气中声速的实验值为331.45 m／s，空气中声速表达式为:
………………………………（9）
由实验分析得距离计算公式为:
……………………… (10)
式中 N 为计数个数；为参考频率；为摄氏温度；为距离。
3 AT89C2051的功能特点
 AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比高的应用场合。
3.1 主要性能参数
与MCS-51产品指令系统完全兼容
2k字节可重复擦写闪速存储器
1000次擦写周期
2.7-6V的工作电压范围
全静态操作：0Hz-24MHz
两级加密程序存储器
128×8字节内部RAM
15个可编程I/O口线
两个16位定时/计数器
6个中断源
可编程串行UART通道
可直接驱动LED的输出端口
内置一个模拟比较器                       图3  AT89C2051功能管脚图
低功耗空闲和掉电模式
3.2 功能特性概述
 AT89C2051提供以下标准功能：2k字节可重复擦写闪速存储器，128字节内部RAM，15个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个双工串行通信口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C2051可降低至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.2.1 空闲模式
 在空闲模式下，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式又软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或复位终止。
 P1.0和 p1.1在不使用外部上拉电阻的情况下应设为“0”，或者在使用上拉电阻的情况下设置为“1”。
 应注意的是：在用硬件复位终止空闲模式时，AT89C2051通常从程序停止一直到内部复位获得控制之前的两个机器周期恢复程序执行。在这种情况下片内硬件禁止对内部RAM的读写，但允许对端口的访问，要消除硬件复位终止空闲模式对端口意外写入的可能，原则上进入空闲模式指令的下一条指令不应对端口引脚或外部存储器进行访问。
3.2.2 掉电模式
 在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容终止掉电模式前被冻结。退出模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重新启动并稳定工作。
 P1.0和p1.1在不使用外部上拉电阻的情况下应设置为“0”，或者在使用上拉电阻时应设为“1”。
4 系统硬件电路设计
4.1 单片机与各部分电路的接口
 本系统是以AT89C2051单片机为核心，要实现其对各部分电路的控制和响应。充分利用AT89C2051的片内资源[ 3 ]，即可在很少外围电路的情况下构成功能完善的超声渡测距系统。系统采用24MHz晶体振荡器，用其来产生40kHz的脉冲信号。
LED数据显示部分用外部端口P1口来驱动控制，P1口输出显示信号给译码器CD4511，从而驱动数码管的动态显示。
由AT89C2051单片机系统产生脉冲宽度为25Os，载波为40kHz的10个脉冲的脉冲群，直接通过P3.7输出，并以推挽形式加到变压器的初级，经升压变换后推动超声波换能器T40-12发射出去。
超声波接收换能器将接收到的障碍物反射回来的超声波进到放大器进行放大，用外部中断INT0来接受发射回波[ 4 ]，这样可以及时的接收信号，并做出处理。
系统温度补偿部分的电路是用DALLAS最新单线数字智能温度控制器DS18B20来实现的，我们用单片机的串行输入口RXD(P3.0)来接收它输出的信号，并由系统判断处理。
4.2 系统显示部分
 图5为系统显示部分的电路图，其主要由译码器CD4511来驱动共阴极数码管动态显示，四个共阴极直接用单片机的外部端口P1口来驱动：
 因系统用到DS18B20作为温度补偿，其需要用到单片机

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