李朋

摘要：装置基于 AT89C51 单片机的高精度超声波定位电路的系统进行设计，提高其测量精度，同时降低能耗。系统利用的STC89C51 芯片采用 CMOS 8 位的微控制处理器，使STC89C51 能灵活的应用于系统中的控制、监测以及显示的模块化系统中；采用 LCD1602 液晶显示测量电流值，可以方便读取坐标值。设计系统通过 AT89C51 单片机最小系统实现了数据的收集、整理，并通过 LCD1602显示所测坐标数据。

关键词：超声波；测距；定位；精度；功耗

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）33-0243-02

目前超声波定位的研究已趋成熟，超声波定位系统也应有导航，测距等很多领域。由于超声波在空气介质中传播时产生的衰减比较大，它一般仅适用于在比较小的范围内对进行距离测量。通常，超声波在空气介质中的传播距离非常短，只有几十米。目前，较短距离范围内的超声波测距系统已经在实际生活中得到了极为普遍的应用，它的测距精度可以精确到厘米级[1-2]。但是超声波定位在高精度、低能耗方面还有待提升。为了使超声波定位系统在性能方面有进一步的提高，本系统在原有的基础上作了改进，将单片机技术与超声波技术相结合，采用AT89C51单片机的高精度超声波定位电路的系统进行设计，从而达到低能耗，高精度的设计目的。

1 研究思路及目的

超声波定位装置已经进入到汽车导航，超声探测等各个领域，就目前来看超声波系统还存在一些高能耗，低精度的问题。为了解决这些问题，本系统将超声波定位系统与单片机最小系统相结合，AT89C51芯片能够快速的执行程序并及时反应。系统采用了两个超声波模块对目标物体进行定位，使得定位坐标更加精确。为了使坐标能够更加清楚地展现出来，系统利用LCD1602将测量的位置坐标展现出来。由于单片机最小系统具有低能耗的优点，本系统继续保。

2 系统材料

本系统利用了基于AT89C51芯片的单片机最小系统对超声波传感器的控制进行设计改进，意在解决目前单片机定位系统存在的不足，系统利用多超声波模块进行定位。

2.1 单片机最小系统

基于AT89C51的单片机最小系统（图1），最小系统利用了STC89C51 芯片其采了CMOS 8 位的微控制处理器，为了便于存储器在系统中的程序编写，本系统的采用了编程Flash存储器，也实现了较为常规的程序处理。

2.2 超声波传感器

超声波传感器的应用范围十分的广泛，目前应用较广的超声波传感器的制作材料主要有两种压电晶体即电伸缩和镍铁铝合金即磁伸缩。本系统采用的是第一种，压电晶体具有可逆性即既可以作为接受信号的装置也可以作为发送信号的装置。在作为发送传感器时可以将电能转化为机械震荡从而产生超声波，在接受信号时有可以将声波信号转换成电信号，它适用于空气中工作，其工作频率一般在20-25kH。

传感器主要由发送传感器、接收传感器、控制部分以及电源组成。其中发送传感器由陶瓷振子[3]换能器（D=15mm）和发送器组成，如图2。

其中陶瓷振子换能器的作用是将电振动转换成机械震荡产生超声波能向空气中发射并传播。接收器由陶瓷振子换能器以及接收器和放大电路组成。其中换能器的作用是将接收到的超声波信号转换成机械震荡将其转换成电信号，将这种电信号输出给单片机，经过单片机的内部单路以及相关程序对输出的电信号进行处理。控制部分主要通过集成电路对超声波信号的发射进行控制，并判断接收部分有无接收到反射信号。电源部分，本系统采用了DC12V±10%的外部直流电源供电，经过内部的稳压电路为传感器供电。

3 超声波定位系统

3.1 供电电源设计

3.1.1 恒压设计

本系统采用了稳压電源直接为系统供电，直接用BY1731 5V直流稳压电源为系统供电，其优点在于输出的电压稳定，而且便于调节，能够有效的控制电压的输出范围，有利于系统整体控制。正常工作时的其电压可以控制在单片机的额定工作电压，不需要加入降压以及稳压拓扑，降低了系统的能耗。

3.1.2 恒流设计

本系统采用单片机 AT89C51 进行恒流控制。在众多的单片机系列中，本系统利用的STC89C51 芯片采了的是 CMOS 8 位的微控制处理器，为了便于存储器在系统中的程序编写，本系统的采用了编程Flash存储器，也实现了较为常规的程序处理。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89C51 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超高效的解决方案。

3.2 温度补偿

本系统在常温工作过程中，会进行温度修订，在室温情况下，默认长声波的传播速度为334m/s。在零摄氏度时每垂直距离上升1m声速就会提高0.606m/s 本系统为了使超声波定位的精度更高，工作状态更稳定，采用了温度补偿的方式加以修正。假设系统环境温度为t，此时的超声波速度为V，则其计算公式为：

[v=331.5+0.6T（m/s）] （1）

注：v：在 T℃时的音速；T：是摄氏温度；

3.3 系统定位原理

图3是超声波测距的原理图，单片机出发的40kHZ频率信号，经过整形处理后利用超声波换能器进一步处理输出，历经在介质中传播经目标物体的反射后被超声波模块的接收器接收，接受后该接受信号作为单片机系统的输入信号被锁定，锁定信号的产生会触发单片机系统中的中断程序，中断程序会返回本次发射与接收的时间间隔t，将时间输入到变量寄存器中利用AT89C51芯片预存的算法程序进行数据的处理计算，将计算结果通过引脚输送到LCD1602中显示出来。有一些因素会影响到本系统的输出结果的精确度：

1） 反射波与入射波之间的夹角，由于每一次定位的距离不同所以夹角会随目标物体的位置的变化而变化。

2） 反射物体的体积，如果反射物的体积过大本系统只能精确的测量里系统最近的坐标，不能测量物体中心的坐标。

3） 换能器对于接受信号的灵敏度。对于换能器的灵敏度是以其可以最小可探测距离来衡量的。

4 结束语

本系统的设计主要针对目前超声波定位系统的高能耗、低精度的问题进行了设计研究，将单片机最小系统和超声波传感器相结合，降低了系统的能耗，也通过多个定位超声波传感器提高了系统定位的精确性考虑到温度对超声波传播速度的影响对系统进行了温度补偿设计，从而进一步提高了定位的准确性，通过测试超声波传感器的定位精确度可以达到厘米级。

本系统虽然降低了能耗，但是在系统的精确度方面还存在不足之处，下一步希望可以将湿度等测量条件考虑到系统实验中去，进一步提高超声波定位系统的准确性。

参考文献：

[l] 华蕊， 郝永平， 杨芳. 超声波定位系统的设计[J]. 国外电子测量技术， 2009（6）：65-67.

[2] 王社良， 曹文华， 樊禹江. 基于 ANSYS 的新型压电陶瓷管驱动器的性能分析与研究[J]. 材料导报. 2012（12）：154-157.

[3] 顾国荣， 鲍骏成， 李海乐. 基于单片机的超声波测距系统设计[J]. 沿海企业与科技， 2012（2）：42-45.