基于IAP15W4K58S4单片机超声波测距系统的设计与实现

葛建新，胡燕清

(河源职业技术学院，电子与信息工程学院,517000)

关键字：超声波；测距；IAP15W4K58S4；压电效应

0 引言

超声波是一种频率高于20KHz的机械波，它具有指向性强、反射能力强、能量消耗缓慢和在介质中传输距离较远等优点，非常适于距离、位移、速度的测量，目前广泛应用于工业、农业、军事、医疗等领域。IAP15W4K58S4是一款高速、高可靠、低功耗、抗干扰能力强的在应用可编程单片机，本文采用IAP15W4K58S4，设计了一种简易、便携、低成本的超声波测距系统，该系统可以实现稳定、可靠、精确的距离测量。

1 系统结构与原理

超声波测距系统的结构如图1所示，主要包括了主控制器IAP15W4K58S4单片机、超声波发射电路、超声波发射探头、超声波接收电路、超声波接收探头、电源电路、LCD显示电路和DS18B20温度采集电路等。超声波收发探头均采用压电式超声波传感器，其压电晶体的固有谐振频率为40KHz。系统的工作原理是：单片机的I/O口启动控制超声波发射电路内部的555电路输出40KHz的方波，经超声波发射电路功率放大，加至超声波发射探头，其利用逆压电效应，将振荡电信号转化为机械振动，由此发射出40KHz的超声波，单片机启动发射超声波时刻的同时，启动其定时器开始计时；超声波经测量目标反射至超声波接收探头，其利用正压电效应，将超声波带动的机械振动转化为电信号输入，经超声波接收电路的前置放大、限幅放大、带通滤波、峰值检波、积分整形、比较，最后输出一下降沿，触发单片机的外部中断INT0，即表示超声波接收到达。在外部中断函数内部停止定时器计时，读出计数值，计算出定时时间t（即超声波从发射经反射到接收的往返时间），超声波在介质中的传播速度为v，DS18B20用于采集当前介质中的温度T，以此对v进行温度补偿修正，所以，测量距离D=(定时时间t×超声波传播速度v)/2。

图1 系统结构示意图

2 硬件设计

这里主要介绍单片机最小系统、超声波发射电路、超声波接收电路、DS18B20温度采集电路和LCD显示电路。

2.1 单片机最小系统

本设计采用DIP-40封装的IAP15W4K58S4单片机，其可选择内置晶振，这样则无需外部晶振电路，其最小系统如图2所示。

图2 单片机最小系统

2.2 超声波发射电路

超声波发射电路如图3所示。NE555构成方波发生电路，由其3脚输出，输出方波的频率f取决于R1、R2、RW1和C1，具体表达式为f=1/[ln2×(R1+2(R2+RW1))×C1]。调节电位器RW1，使输出方波的频率为40KHz，等于超声波发射探头内压电晶片的固有谐振频率，以使压电晶片达到共振，产生超声波。超声波发射控制端INC（接单片机控制IO口）输出低电平0，经74HC14反相输出高电平1，即开启74HC08与门，以使40KHz的方波通过，经反相驱动器CD4069，一路经二级反相输出至超声波发射探头的2脚，一路经三级反相输出至超声波发射探头的1脚，由此超声波发射探头的1脚和2脚形成互为颠倒且已经过电流增大的振荡信号，利用压电式超声波传感器的逆压电效应，将振荡电信号转换为压电晶片的机械振动，即发射出超声波。输出端采用两个反相器并联，用以提高驱动能力。

图3 超声波发射电路

2.3 超声波接收电路

超声波接收电路如图4所示。由于超声波40KHz频率和红外38KHz频率接近，超声波接收电路采用红外检波接收专用集成电路CX20106A来构成实现。超声波接收探头将超声波带动的机械振动，利用压电式超声波传感器的正压电效应，转换为超声波电信号由CX20106A的1脚输入，首先经前置放大，2脚接RC串联电路接地，用于调节前置放大增益，再经带通滤波，把有效的40KHz的超声波电信号选通通过，把其他频率的干扰信号滤除，5脚接带通滤波器中心频率设置电阻，带通滤波器输出的有效超声波电信号，再经峰值检波器，输出成近似平滑的水平信号，3脚接检波器的检波电容，再经积分整形，输出成倾斜信号，6脚接积分电容，最后经比较器7脚输出一下降沿信号，触发单片机的外部中断处理。

图4 超声波接收电路

2.4 DS18B20温度采集电路和LCD显示电路

以超声波在空气中传播为例，常温下超声波速度v为340m/s，但其易受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中温度的影响最大，一般温度每升高1℃，声速增加约为0.6m/s。因此，为了获得精确的测量结果，必须对波速进行温度补偿。表1为波速与温度的关系表，由表1可得到波速与温度的拟合公式：v=331.5+0.607T，需按此式对波速进行温度修正。

表1 波速与温度的关系表

DS18B20温度采集电路如图5所示，DS18B20为单总线集成温度传感器，单总线DQ接单片机IO口，同时须经4.7KΩ上拉电阻接VCC。

图5 DS18B20温度采集电路

LCD显示电路采用LCD12864，如图6所示，PSB接地表示串行数据方式，此时RS为片选端，R/W为串行数据输入端，EN为串行同步时钟端；VO为对比度调节，VEE为LCD驱动电压输出端。

3 软件设计

本系统的完整详细的程序设计流程图如图7所示，左侧为主程序，右侧为外部中断服务程序。主程序在循环查询单次测距是否完成或是否超时的过程中，若超声波反射接收到达，则超声波接收电路输出一下降沿，触发单片机外部中断，由此程序自动进入外部中断服务程序执行，在其内停止定时器计时、关闭超声波发射、读出计数值、计算定时时间、计算测量距离，最后将测距完成标志位置1，然后中断返回；若测量目标超出有效范围，超声波反射微弱或迟迟没有反射，则超声波接收电路必定无法接收，即无法触发单片机外部中断，此情形即认定为超时，测距值标定为最大值。

图7 系统程序设计流程图

在测距数据处理方面，我们采用中位值平均滤波法，即连续采样N（取N=10）个数据，对其从小到大排序，去掉最大值和最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值。这种滤波算法融合了中位值滤波法和算术平均滤波法的优点，可有效消除偶然出现的脉冲干扰所引起的偏差，对距离这种变化相对缓慢的被测量具有良好的滤波效果。

4 测试

本文对该系统进行了反复多次的测试，实际测试图如图8所示，总体测试结果如表2所示。本系统的最大有效测距范围约为400cm，当测距范围为0-80cm时，测距的误差为0.2-0.5cm，最小测量误差为0.2cm。

表2 系统测试结果（单位cm）

图8 系统实物测试图

5 结论

超声波非常适于距离的测量，本文采用IAP15W4K58S4单片机，设计了一种简易、便携、低成本的超声波测距系统，重点介绍了超声波发射电路、超声波接收电路、温度补偿和系统软件的设计。经测试，该系统可以实现稳定、可靠、精确的距离测量。