超声波测距系统方案研究与设计

系统软件设计采用模块化设计，主要包括主程序设计、T1中断服务子程序、INT0外部中断服务子程序、测温子程序、距离计算子程序、显示子程序、延时子程序和报警子程序设计等。
系统软件编制时应考虑相关硬件的连线，同时还要进行存储空间、寄存器以及定时器和外部中断引脚的分配和使用。本设计中P1.0引脚连接到7 HC04推挽放大电路再连接到超声波发射传感器，P1.0引脚输出的将是软件方式产生的40 kHz方波，而P3.2(INT0)则被用来接收回波。定时器T1，T0均工作在工作方式1，为16位计数，T1定时器被用来开启一次测距过程以它的溢出为标志开始一个发射测量循环，T0定时器是用来计算脉冲往返时间，它们的初值均设为0。
系统初始化后就启动定时器T1从0开始计数，此时主程序进入等待，当到达65 ms时T1溢出进入T1中断服务子程序；在T1中断服务子程序中将启动一次新的超声波发射，此时将在P1.0引脚上开始产生40 kHz的方波，同时开启定时器T0计时，为了避免直射波的绕射，需要延迟1 ms后再开INT0中断允许；INT0中断允许打开后，若此时P3.2(INT0)引脚出现低电平则代表收到回波信号，将提出中断请求进入INT0中断服务子程序，在INT0中断服务子程序中将停止定时器T0计时，读取定时器T0时间值到相应的存储区，同时设置接收成功标志；主程序一旦检测到接收成功标志，将调用测温子程序，采集超声波测距时的环境温度，并换算出准确的声速，存储到RAM存储单元中；单片机再调用距离计算子程序进行计算，计算出传感器到目标物体之间的距离；此后主程序调用显示子程序进行显示；若超过设定的最小报警距离还将启动扬声器报警；当一次发射、接收、显示的过程完成后，系统将延迟100 ms重新让T1置初值，再次启动T1以溢出，进入下一次测距。如果由于障碍物过远，超出量程，以致在T0溢出时尚未接收到回波，则显示“ERROR”重新回到主流程进入新一轮测试。主程序和定时器T1、外部中断INT0中断服务子程序的框图分别
此外，还有几点需要说明的是：
(1)定时器T1之所以是65 ms溢出是因为它是16位定时／计数器(65 535)。在使用12MHz的晶振时，由于周期T=1/f=1／[(12×106)／12]=1μs，则一个机器周期是1μs，计数器每65 ms计数器溢出。
(2)本设计中40 kHz方波的产生采用软件方式实现：控制P1.0口输出12μs的高电平，再输出13μs的低电平，这样得到一个周期的40 kHz的脉冲，再循环发送8次。

(3)在CPU停止发送脉冲群后，由于电阻尼，换能器不能立即停止发送超声波，在一段时间内仍然会发送，故这段时间内不可立即开启INT0接收回波，要等待一段后以避免发送端的部分直射波未经被测物就直接绕射到接收端，这段被称为“虚假反射波”。从发射开始一直到“虚假反射波”结束这段时间，不开放INT0中断申请，可有效躲避干扰，但也会造成测试的“盲区”。本次设为1 ms，假定温度为20℃，则测量盲区为s=1×10-3×344／2≈17．2 cm。
(4)最大测试距离将取决于：两次脉冲群发送之间的最小时间间隔和脉冲的能量。一般来说，发射端脉冲个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。但也不是无限制的，本次读取定时器T0的计数值，最大能测试的距离是T0尚没溢出，故在温度20℃下，最大测试距离为s=vt／2=65 535×344／(2×106)=11．272 m。在一些周期性发射超声波设备中，如果要测试的最大距离是10 m，则两次脉冲群之间的最小时间为t=2×s/v=2×10／344≈60：ms 。
5 结束语
为了验证系统的测量精度，在实验室进行了实地测量。利用本系统对20～1 000 cm范围进行了多次测试，经补偿后最大误差达2 cm，线性度、稳定性和重复性都比较好。系统具有结构简单、体积小、实时LCD显示和报警、带温度补偿、抗干扰性能好等优点。系统的误差主要来自于发射探头发出的超声波是呈喇叭状扩散传播、被测物的表面不光滑且不一定垂直于两探头的轴线而导致所反射回来的波也许是从不同点获得，此外电子元器件自身的时延、干扰等也造成一定影响。可以根据具体场合，选择合适功率的探头，以及调整程序中脉冲的频率、宽度和个数等提高精度或测量距离，扩大系统的应用范围。