1、前 言
　　目前大多數(shù)的超聲波測距系統(tǒng)都是采用單片機(jī)作為控制核心，利用超聲波傳感器發(fā)出超聲波信號，超聲波碰到障礙物后反射回來，傳感器接收到回波，單片機(jī)通過對發(fā)射波和回波的查詢，或利用發(fā)射波與回波觸發(fā)中斷，來開關(guān)定時(shí)器測出發(fā)射波和接收到回波的時(shí)間差 t，從而計(jì)算出定點(diǎn)離障礙物的距離 S=Ct/2，式中的 C 為超聲波波速。超聲波的波速 C 與溫度有關(guān)，表 1 是超聲波在不同環(huán)境溫度下的波速關(guān)系

       由此可見，超聲波在空氣中的傳播速度很快，均在 300m/s 以上。由于一般的單片機(jī)時(shí)間分辨率不是很高(晶振頻率為12MHz時(shí)，時(shí)間分辨率為1μs)，加之單片機(jī)查詢發(fā)射波與回波，或利用發(fā)射波與回波觸發(fā)中斷再通過程序啟停內(nèi)部定時(shí)器均需要一定的時(shí)間[1]，所以這種類型的測距系統(tǒng)的誤差都較大，導(dǎo)致其性能在某些場合下不能滿足要求。　引入專用的定時(shí)/計(jì)數(shù)器 8254 進(jìn)行計(jì)時(shí)，可在很大程度上提高測距系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

        2、定時(shí)/計(jì)數(shù)器 8254
　　 8254 是專用的定時(shí)器芯片，有 3 個(gè)獨(dú)立的 16位可編程計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器可按二進(jìn)制或 BCD　(二—十進(jìn)制)編程，實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)，使用非常靈活，功能非常強(qiáng)大?！?254 通過對加在其 CLK 輸入引腳的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，脈沖最高頻率可以達(dá)到 10MHz，并且可以利用硬件或軟件的辦法任意啟動或停止計(jì)數(shù)，利用8254 進(jìn)行計(jì)時(shí)，時(shí)間分辨率更高，如輸入 4MHz的計(jì)數(shù)脈沖，其時(shí)間分辨率可達(dá)到 0.25μs。
    8254 是 NMOS 器件，采用雙列直插式 24 腳封裝，它的輸入和輸出都與TTL電平兼容。其引腳排列見     圖 1。

        254 的每個(gè)定時(shí)器都有一個(gè)控制口 GATE，可利用發(fā)射波與回波直接啟停該定時(shí)器，而不必把發(fā)射波與回波接至單片機(jī)，通過查詢或中斷再啟停定時(shí)器，這樣即可提高測距系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少了系統(tǒng)自身的誤差，提高準(zhǔn)確度。

        3、硬件結(jié)構(gòu)
　　假設(shè)超聲波測距系統(tǒng)采用 8031 單片機(jī)為控制核心，使用 8254 的 0#定時(shí)器記數(shù)，CLK0 信號由外部電路提供準(zhǔn)確的 4MHz 脈沖信號(可通過74LS390 等分頻器分頻獲得)，利用一個(gè) JK 觸發(fā)器的輸出作為 8254 0#定時(shí)器的門控信號 GATE0，回波信號同時(shí)作為單片機(jī) INT 0的中斷響應(yīng)信號。初始化時(shí)，由 8031 單片機(jī)的 P1.0 口對JK觸發(fā)器清 0，8254 的 T0 不計(jì)時(shí);發(fā)射波產(chǎn)生后，JK 觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，T0 開始工作，計(jì)數(shù)初值不斷減 1;超聲波傳感器收到回波后，使 JK 觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)，8254 的 T0 停止工作，回波信號同時(shí)觸發(fā)單片機(jī)中斷，在中斷服務(wù)子程序讀出計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)初值中所剩余的值，然后計(jì)算出距離，通過顯示電路即可將測出的距離顯示出來。硬件結(jié)構(gòu)如圖 2 所示：

        4、軟件設(shè)計(jì)
　　軟件分主程序和中斷服務(wù)程序?yàn)閮刹糠?。主程序完成單片機(jī)和 8254 計(jì)數(shù)器的初始化工作、超聲波的發(fā)射與回波的檢測以及中斷控制。中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、系統(tǒng)復(fù)位、距離計(jì)算和結(jié)果的輸出等工作。主程序和中斷服務(wù)子程序的流程圖如圖 3，圖 4 所示。

         5、抗干擾措施
　　 影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的主要因素主要來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，并受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝影響.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)主要考慮電源對單片機(jī)的影響。電源質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到整個(gè)電路的抗干擾能力。單片機(jī)對電源噪聲很敏感,要給單片機(jī)電源、定時(shí)/計(jì)數(shù)器 8254 的電源、JK觸發(fā)器電源以及其它附屬電路的電源加電容、電感濾波電路或穩(wěn)壓器，并盡量采用集成式直流穩(wěn)壓電源，以減小電源噪聲對單片機(jī)的干擾。
　　 此外，要采取適當(dāng)?shù)拇胧┣袛嗥渌蓴_源的傳播途徑。單片機(jī)系統(tǒng)和超聲波傳感器的驅(qū)動電路要分別接地，電源線和地線要盡量加粗，以減小相互干擾。為 8254 的 0#定時(shí)器提供 CLK0 時(shí)鐘信號的晶振要與單片機(jī)引腳盡量靠近，并用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼要接地并固定。

         6、結(jié)束語
　　 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于距離的測量。利用超聲波檢測具有迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制等特點(diǎn)，通過引入定時(shí)/計(jì)數(shù)器8254 進(jìn)行計(jì)時(shí)，使系統(tǒng)的測量精度完全能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，應(yīng)用領(lǐng)域得以擴(kuò)展，其不僅可用于倒車?yán)走_(dá)、物位測量等普通場合，而且也可廣泛用在移動機(jī)器人的研制上。

(來源：電子工程世界)
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