基于单片机的视力保护器论文.pdfVIP

4系统硬件设计

硬件主要以8051型单片机为核心，功能电路主要包括超声波测距电路、

光线报警电路、定时报警电路以及报警发声电路等核心电路。利用单片机的

C语言和汇编语言进行编程。图4.1是本系统设计的基本框图。

超声波测

距电路

单片机声光报警

光敏二极电路

管检测电

路

图4.1系统设计基本框图

4.1超声波测距

4.1.1超声波测距原理

超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是

用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加乐

统笛、液哨气流旋笛等，它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不

相同，因面用途也各不相同。目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超

声波换能器。根据设计要求并综合各个方面因素，采用压电式超声波换能器。

超声波测距系统设计框架如图4.2所示。

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超

声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射

波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录

的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。这就

是所谓的时间差测距法。

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量

1

声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出

发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样

的。

图4.2超声波测距系统设计框图

测距的公式表示为：L=C×T式中L为测量的距离长度；C为超声波

在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值

的一半)。

超声波测距误差分析

根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误

差和测量距离传播的时间误差引起的。

时间误差:

当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s(20℃

室温)，忽略声速的传播误差。测距误差s△t(0.001/344)≈0.000002907s

即2.907μs。

在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只

要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作

时钟基准的89C51单片机能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51

定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。

超声波传播速度误差

超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波

的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。

对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度

考虑进去。例如当温度0℃时超声波速度是332m/s,30℃时是350m/s，温度

2

变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声

速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。

4.1.2超声波发射电路

超声波发射电路原理图如图4.3所示。发射电路主要由反向器74SL04

和超声波发射换能器K3构成，单片机P1.0端口输出的40kHz方波信号一路

经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到

超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器

两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高

驱动能力。上拉电阻R1