基于ATMEGA64单片机多目标超声波测距系统研制

单，软件上容易实现且稳定性好。

1 A T M E G A 64测距系统组成
系统包括3个主要模块：回声定位模块、音频模 块和主机模块，系统结构如图1所示。

〇引言
随着现代科技的不断发展与进步，超声波测距
在自动控制、建筑工程测量和机器人视觉识别等领 域应用非常广泛[1]。

目前测距技术主要有红外测 距、激光测距和超声波测距，其中，红外测距受光线 影响大且精度较低;激光测距虽精度高但制作成本 偏高，安全性差[2]+超声波测距以其信息处理简单、 价格低廉、硬件容易实现等优点，得到了广泛应用。

超声波测距是利用超声波发射装置和接收器之 间传播超声波时的时间差来计算距离[3]。

目前，超 声波测距的主要方法有声波幅值检测法、相位检测 法、渡越时间检测法3种方法[3]。

该文采用渡越时 间检测法，其测量的精度和距离良好，硬件电路简
收稿日期#2020 -02 -18
作者简介:魏裕彤（1995)，辽宁沈阳人，加拿大戴尔豪斯大学电 气与计算机工程系学生。

基于ATMEGA 64羊片机多目标
超声波测距系统研制
魏裕彤，张琪，赵博新
(
戴尔豪斯大学电气与计算机工程系，加拿大哈利法克斯B 3J 1B 6)
摘要：为解决测距系统处理精度差，探测速度慢的问题，该文采用A T M E G A 64
单片机开发了一
种超声波测距系统。

系统采用模块化的结构设计，包括回声定位模块、主机模块、音频模块和上位
机。

超声波传感器可以旋转180。

，可实现多目标的测距和报警，并能显示目标的方位。

该系统探 测速度快，测量精度高，测量盲区小，运行稳定、可靠，具有较大的推广应用价值。

关键词# A T M E G A 64 %超声波测距;P W M %伺服电机
中图分类号:T P 291 &T P 368.1
文献标识码:A
文章编号#1000 -0682(2020)03 -0103 -04
D e v e lo p m e n t o f m u lti - ta rg e t u ltra s o n ic ra n g in g system
based o n A T M E G A 64 single c h ip m ic ro c o m p u te r
WEI Yutong，ZHANG Qi，ZHAO Boxiii
(Department o f Electrical and Computer Engi&ering，Dalhousie University，Halifax 4 J1B 6，
Abstract ： A im in g a t t h e p r o b le m s o f lo w p r o c e s s in g a c c u r a c y a n d slo w d e t e c t i o n s p e e d in r a n g in g
s y s t e m ，a n u ltr a s o n ic r a n g in g s y s te m w ith A T M E G A 64 s in g le c h i p m ic r o c o m p u te r is d e v e l o p e d . I t a d o p ts m o d u la r iz a tio n s t r u c t u r e d e s ig n w h ic h i n c l u d e s e c h o lo c a tio n m o d u l e ， p r o c e s s in g m o d u l e ，a u d io m o d u le a n d h o s t c o m p u t e r . T h e 180 d e g r e e s r o ta tin g u ltr a s o n ic s e n s o r c a n f u lf ill m u lti - ta r g e t r a n g i n g ，d e t e c t i n g a n d p o s itio n d i s p l a y .
T h e
s y s te m h a s
t h e
a d v a n ta g e s o f f a s t
s p e e d ，h ig h
a c c u r a c y ，s m a ll
b l i n d
r e l i a b l e o p e r a tio n w h ic h p r o v id e s g r e a t a p p l i c a t i o n v a l u e .
Keywords ： A T M E G A 64 + u lt r a s o n i c r a n g in g + P W M + s e rv o m o to r
I 置 f 关
扬声器驱动 与保护电路
扬声器上位机
图1 ATMEGA 64测距系统基本结构
PD 4
P B 1
PD 6
主机模块 ATMEGA 644A
单片机
PD 7
PD 2
探测物体
i s
觀
音频模块
IPD2 卜
图2音频模块电路图
2.3主机模块
主机模块采用ATMEGA 644A 单片机作为控制 核心，它是基于增强的AVR RISC 结构的低功耗、8 位CMOMS 微控制器。

高达lM D S /M H z 数据吞吐 率，大大缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

最大支持16 M H z 系统时钟，64K 的可编程Flash ，4K 字节SRAM ，32个可编程I /O 线，具有4个比较模式 与P W M 的定时器/计数器，8通道10位ADC ，2个
USATR 等丰富的外用接口电路。

通过主机模块对
回声定位模块和音频模块进行控制并接收来自超声 测距装置的信息，处理扫描结果，并在屏幕上生成目
标的方位，通过USART 功能与上位机进行通信。

3 A T M E G A 64测距系统的软件设计
测距系统的软件流程包括5个步骤:初始化；向 回声定位模块中的超声波测距装置发送触发信号; 记录超声波测距装置回声信号脉冲宽度（使用输人 捕捉中断功能）；旋转回声定位模块中的伺服电机 的（舵机）角度;音频模块的控制。

3.1初始化定时器
软件程序用于向主机模块提供距离和角度数 据。

定时器1的捕获功能用于捕获超声波测距仪回
回声定位模块利用SG 90伺服电机（舵机）驱动 超声波测距装置旋转，使其具有180°的扫描角度， 并向主机模块提供目标的距离和角度信息;音频模 块确定超声波测距装置是否指向目标，并在超声波 测距装置发现目标时发出正确的频率;主机模块接 收来自超声测距装置的信息，处理扫描结果，并在屏 幕上生成目标的方位。

该系统硬件结构采用模块化设计方法，包括超 声波测距装置系统、伺服驱动系统（又称舵机系 统）、上位机交流系统以及扬声器系统。

每个子系 统都作为一个独立的单元进行了编程、测试和调试， 这样提高了整个系统的工作效率，减少了不必要的 故障排除时间。

2 A T M E G A 64测距系统设计2.1回声定位模块
回声定位模块由伺服驱动和超声波测距装置2 部分组成。

2.1.1伺服驱动
伺服驱动采用SX 90伺服电机驱动超声波测距 装置从-90° ~90°旋转，对目标进行扫描。

单片机
通过内部16位定时器、
OCR 1A 、OCR 1B 控制端口输 出脉宽调制（PWM )信号。

P W M 信号的周期为20
m <频率为50 Hz )，脉冲宽度从0.5 ~2.5腿（输出
高电平的时间），控制伺服电机（又称舵机）的旋转
角度从-90° ~ 90°变化，旋转角度的大小与输人
PW M 信号的脉宽成正比;用户可以根据需要，通过
调整输人到伺服电机中的PW M 信号的占空比来控 制超声波传感器旋转到相应的位置。

2.1.2超声波测距装置
超声波测距装置用于识别并记录目标的距离与 角度，该装置由单片机内部一个16位计数器进行控 制，主机模块通过PB 1端向超声波测距装置输出一 个10 #的高电平触发信号，启动超声波测距装置 发射超声波;超声波测距装置的回波管脚与单片机 的输人捕获管脚（PD 6)相连，当检测到反射回来的 超声波时，超声波测距装置从其回波端口发送回波 信号给主机模块，回波信号的宽度与声波传播的距 离成正比。

2.2音频模块
音频模块可以接收一个方波或正弦波作为输人 信号，并可以输出与接收信号相同频率的声音，当检 测到目标时，该模块会发出警报。

该文采用电压调 节器、NPNBJT 、运算放大器、扬声器设计了一个推
挽式扬声器驱动电路。

其中扬声器的电阻为8+， 最大额定电压为2 V ，最大功率为0.5 W 。

由于嵌人 式处理器的引出线电压为5 V ，因此，占空比为50% 的方波信号的额定电压值为2.5 V 。

为了给扬声器 提供一个在最大电流的情况不超过2 V 的供电源， 在方波信号连接到运算放大器之前，使用了 2个16
k +和64 V +电阻进行分压。

同时为了进一步保护
扬声器，使用NCP 7805调压器将N P N B JT 的集电极 侧电压保持在5 V ，并在运算放大器与N PN BJT 的基 极之间串联一个1 k +限流电阻，以维持电压调节器 和N P N B JT 的稳定性。

音频模块电路如图2所示。

U1
9V O -
2
5V
3
9V 〇
,
+
V
2N
222a
声信号边缘。

定时器1计数器将寄存器B (TCCR 1B )中的时钟源位（CS 1X )设置为适当的预 分频器。

TCCR 1B 中的输人捕获边缘选择位 (ICES 1)则设置成检测输人捕获引脚（PD 6)处信号 的上升边缘，将输人捕获中断启用位（IC D 1)设置 在定时器1的中断屏蔽寄存器（TIMSK 1)中以启用 中断服务程序（ISR )。

此外，TCCR 1B 和TCCR 1A 中 的波形生成模式（WGM 1)配置为相位修正的PWM 模式，顶部计时器计数值设置为OCR 1A 。

在相位修 正P W M 模式下，定时器1计数（TCNT 1)从0向上 计数到最高值，然后再向下计数到0。

3.2回声定位模块触发信号的发送
回声定位模块软件流程如图3所示。

I 初始i f 时器l l
图3
回声定位模块软件流程图
回声定位模块需要主机模块向超声波测距装置 触发口发送一个10 #的高电平脉冲触发信号，启
动超声波测距装置发射超声波。

主机模块在PB 1
端输出一个10 #的咼电平，然后使用PORTB 寄存 器将其还原到低电平即可。

在测量物体时，伺服电 机的转动角度每次增加2°;在每一个角度位置上， 主机模块向超声波测距装置发送3次触发脉冲，进 行3次距离测量。

3.3记录脉冲宽度
超声波测距装置的回波管脚与单片机的输人捕 获管脚（PD 6)相连。

在模块初始化期间启用输人捕 获中断(ISR )，并设置为在信号上升沿触发，当捕获 到信号上升沿时，记录TCNT 1的值和计数类型，同 时触发模式设置为下降沿;当捕获到信号下降沿时， 则再次记录TCNT 1的值和计数类型，并将IS R 边缘 触发模式设置为上升沿。

主机通过上升沿和下降沿 2次记录TCNT 1的值和计数类型，计算出回波脉冲 的宽度，进而测量出目标距离。

1)当输入信号的上升和下降边缘同时出现在 TCNT 1 + +范围内时（如图4所示），用式（1)求 脉宽。

脉冲宽度=(TCNT 1 + +下降沿-TCNT 1 + +上升沿）
(1)
〒下降沿
TCNT 1
I 上升敬
低(〇)髙输入捕获引脚
I
低
TCNT 1++A TCNT 1 —
测距装置回声端口信号
图4
脉冲宽度记录图
(上升沿在TCNT 1 ++，下降沿在TCNT 1 + + )
2)当输人捕获信号的上升沿发生在TCNT 1 + + 期间，而下降沿发生在TCNT 1 --期间（如图所示 5)，用式(2)求脉宽。

脉冲宽度=(2 x 峰值-TCNT 1
TCNT 1
_下降沿）高 TCNT 1++.
| 上升沿 TCNT 1I
低(〇)
高
输入捕获引脚
I
测距装置回声端口信号
图5
脉冲长度记录图
(上升沿在TCNT 1 ++，下降沿在TCNT 1 --)
上升沿
(2)
定位结束
记录TCNT 1的数值 和计数类型，设置 下降沿中断
给传感器装置发送触
发脉冲，等待中断程 序返回上升沿的值
将电机转到初始位置
l l?t II T
3)当信号的上升沿发生在TCNT1 --期间，而 下降沿发生在TCNT1n +(如图6所示），用式（3) 求脉宽。

脉冲宽度=(TCNT1 --上升沿-TCNT1n n下降沿）
(3)
图6脉冲长度记录图
(上升沿在TCNT1 --，下降沿在TCNT1 + + )
3.4回声定位模块中伺服电机的位置
伺服电机的脉宽调制信号的占空比与其角度位 置成正比。

控制OCR1B的值可以改变波形的占空 比，PD4端输出周期为20 ms，脉冲宽度为0.5 ~ 2. 5 mS脉宽调制（PWM)信号，控制伺服电机的角度位 置。

伺服电机的转动角度每次增加2°，在每个角度 位置上超声波测距装置进行3次测量。

3.5音频模块的控制
当找到目标时，音频模块将调整OCR2A的值，以便从嵌人式处理器的定时器2输出比较指针(PD7)从而发出正确的频率信号。

比较引脚产生的 信号波形为50%占空比方波，是从扬声器驱动电路 进行输人。

它是用CTC(清除定时器比较）的脉宽 调制模式完成的。

当TCNT2等于OCR2A时，定时 器(TCNT2)复位为0。

通过改变OCR2A的值，从而 控制输出频率。

3.6 A T M E G A64测距系统的软件流程
测距系统的软件流程如图7所示。

图7测距系统的软件流程图
4结语
该文研制的系统具有一个180°的旋转角度，探 测范围为4 3。

系统检测到目标后，目标的距离和 角度就会在主机模块上进行显示；同时，扬声器发出 的频率与目标的距离成比例。

该测距系统扫描精度 准确，处理时间短，能够实现多个目标的测量，可以 在测量盲区较小、测量精度较高的环境中使用。

该 系统可以应用到安全系统中进行报警并驱离人侵 者，也可以用在货物固定的领域，当货物在颠簸之中 离开了预定的位置，系统可以迅速告警，保护货物的 安全。

因此，该系统的研制具有较大的应用推广
价值。

参考文献：
[1]卜英勇，王纪婵，赵海鸣，等.基于单片机的高精度超
声波测距系统[J].仪表技术与传感器，2007(03):
66 -68.
[2]黄军玲.基于单片机的超声波测距报警装置设计[J].
电子测试，2017(18):7 -8 +6.
[3]赵广涛，程荫杭.基于超声波传感器的测距系统设计
[J].微计算机信息，2006(01): 129 -130 +149.
[4]苑洁，常太华.基于STM32单片机的高精度超声波测
距系统的设计[J].电子设计工程，2011(19):76
-78.。