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1、实用小制作HANDS ON PROJECTS532011. 05图1 硬件总体框架图结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达 1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。该高性能单片机完全符合本设计的要求，其最小系统原理图如图 2 所示。按照模块化设计思想，本文将最小系统制作成单独模块，其最终实物如图 3 所示。Atmega161602液晶超声波模块按键自制超声波测距仪超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如 ： 液位、井深、管道长度等场合。目前国内一般使用专用集成电
2、路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，并且没有显示，操作使用很不方便。本文以 Atmega16 单片机为核心，介绍如何制作一个低成本、 高精度、 微型化数字显示的超声波测距仪。一、超声波测量原理超声波是一种频率比较高、指向性强的声音。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。测距的公式表示为 ：L=CT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 )。已知超声
3、波速度 C=344m/s (20室温 )。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，近似公式为 ：C=C0+0.607T式中 C0 为零度时的声波速度 332m/s，T 为实际温度 ( )。二、硬件设计以 Atmega16 为主控制单元，采用成品超声波模块，以按键作为用户输入，同时用 1602 液晶进行结果显示，总体框架如图 1 所示。主控制单元 Atmega16 是基于增强的 AVR RISC作者 / 蒋瑞挺 / 瑞雪电子工作室实用小制作HANDS ON PROJECTS2011. 54超声波模块采用批量生产的成品模块，大
4、大降低了设计难度及制作成本。在本文刊头的照片就是超声波模块的实物。4 个引脚连接关系见图 4 的 U3。该模块具有如下特点 ：1. 超微型尺寸，只相当于两个发射与接收头的面积。2. 无盲区 (8mm 内成三角形时误差稍大 )。3. 反应速度快，10ms 的测量周期，不容易丢失高速目标。4. 发射头紧靠接收头，与被测目标基本成直线关系。5. 模块上有 LED 指示，方便观察和测试。该模块的操作方法如下 ：外部控制器在 TRIG 引脚上加载至少 10s 的低电平信号，然后加载高电平信号，此时开始测量。模块会自动发送 8 个 40kHz 的方波，自动检测是否有信号返回。当有信号返回， 模块会自动加载
5、低电平信号到ECHO引脚上。从加载 TRIG 引脚高电平信号开始到 ECHO 引脚输出低电平信号之间的间隔时间， 就是超声波从发射到返回的时间。因此测试距离即为该间隔时间与声速乘积的一半。当前方无测量物或测量物距离超过模块最大测量距离 (1500mm)时，ECHO 引脚电平将不会产生变化。此时需要外部控制器自身做超时判断，超时时间一般为 10ms。由于需要显示的信息较少，因此采用最常见廉价的1602 液晶作为显示单元，其实物如图 5 右侧部件。该液晶可显示两行字符，用于显示当前测量距离，完全满足要求。底板实现各个模块的连接以及外部按键的输入。外接按键只用来控制测量的开启与停止，因此一个按键即可
6、完成功能。该按键与单片机的外部中断 IO 连接。底板采用热转印方式制作，原理图如图 4 所示。本设计完成组装后的实物如图 5 所示。三、软件设计软件采用 C 语言编程，以模块化方式设计，主要包含主程序、发射子程序、查询接收子程序、定时子程序、按键中断程序以及显示子程序等模块设计。其总体的软件流程见图 6 所示。读者如对本作品的源程序感兴趣，可以在 www.图2 Atmega16最小系统原理图PB0 (XCK/T0)1 PB1 (T1)2 PB2 (AIN0/INT2)3 PB3 (AIN1/OC0)4 PB4 (SS)5 PB5 (MOSI)6 PB6 (MISO)7 PB7 (SCK)8RE
7、SET9PD0 (RXD)14 PD1 (TXD)15 PD2 (INT0)16 PD3 (INT1)17 PD4 (OC1B)18 PD5 (OC1A)19 PD6 (ICP)20 PD7 (OC2)21XTAL212 XTAL113GND11PC0 (SCL)22 PC1 (SDA)23 PC2 (TCK)24 PC3 (TMS)25 PC4 (TDO)26 PC5 (TDI)27 PC6 (TOSC1)28 PC7 (TOSC2)29AREF32AVCC30GND31PA7 (ADC7)33PA6 (ADC6)34PA5 (ADC5)35PA4 (ADC4)36PA3 (ADC3)37P
8、A2 (ADC2)38PA1 (ADC1)39PA0 (ADC0)40VCC10U5ATmega16-16PCVCCRESETS2SW-PB1KR210KR1VCCRESETC112Y1XTAL22pFC222pFC312 34 56 78 910JP3Header 5X2TCK TMS TDO TDITCK TDO TMSVCCTDIVCCRESET1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20JP1Header 201 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20JP2Header 2
9、0PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 RESETPD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7VCCPA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 VCCPC0 PC1PC6 PC7TCK TMS TDO TDIPC0 PC1PC6 PC7F实用小制作HANDS ON PROJECTS552011. 下载。四、实验与总结测距仪上电后会提示用户按下开始
10、按键进行距离测量。当开始按键按下后，即进行实际测量工作。通过对测量结果的校正后，测距仪的精度基本上能达到 1mm。图4 底板原理图PB01PB12 PB23 PB34 PB45PB56 PB67 PB78 RESET9GND20PD010 PD111 PD212 PD313 PD414PD515 PD616 PD717PC021PC122PC223PC324PC425PC526PC627PC728PA732PA633PA534PA435PA336PA237PA138PA039NC18NC19VCC40VCC31 NC30 NC29U1MM16GND1 VCC2RS4RW5 E6NC3DB07
11、DB18DB29 DB310 DB411 DB512 DB613DB714U21602VCC1TRIG2 ECHO3 GND4U3TXD1RXD2 GND3 3.3V4 5V5U4VCCVCCS1SW-PBVCCD0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7VCCRS RW ERSRWE TRIG ECHOTXDTXDRXDRXDSWSWTRIGECHO图3 Atmega16最小系统实物图图5 组装后的实物图图6 总体软件流程图开始按键按下按下次数为1触发测量读取测量值初始化显示测量值按下次数清0初始化按下次数加1按下次数为2按下次数为0NYYYY利用 Atmega16 单片机虽然会增加成本，但可以简化设计，便于操作和直观读数。本设计简单方便，测量精度能够满足大多数场合的测距要求，可以单独使用，也可以集成到其他应用中去。END
