基于51單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

衡水職業(yè)技術(shù)學(xué)院 曹月真

一、設(shè)計(jì)任務(wù)和性能指標(biāo)

（一）設(shè)計(jì)任務(wù)

利用單片機(jī)及外圍接口電路設(shè)計(jì)制作一個(gè)超聲波測距儀器，用液晶顯示器將測出的距離顯示出來。

要求畫出系統(tǒng)的電路原理圖，實(shí)物圖，繪出程序流程圖，并給出程序清單。

（二）性能指標(biāo)

距離顯示：用LCD液晶顯示器進(jìn)行顯示（單位是米）。

測距范圍：1Ocm到4OOcm的距離感測功能，測距精度可達(dá)到5mm以內(nèi)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖2 超聲波測距模塊

圖3

二、設(shè)計(jì)方案

按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個(gè)模塊組成（如圖1）。

單片機(jī)主控芯片使用51系列AT89S52單片機(jī)，該單片機(jī)工作性能穩(wěn)定，同時(shí)也是在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到的控制芯片。

顯示模塊采用LCD12864，其突出優(yōu)點(diǎn)就是可以顯示漢字等字符，且與單片機(jī)的接口簡單，操作方便。

超聲波發(fā)射模塊和接收模塊采用HCSRO4超聲波測距模塊，該模塊性能穩(wěn)定，測量距離精確，精度高，盲區(qū)（2cm）超近。

三、主控電路

本系統(tǒng)采用了STC89S52作為主控電路，圖2為主控電路原理圖，圖3為主控電路實(shí)物圖。

STC89S52為STC公司的一款通用單片機(jī)，其操作簡便，功能強(qiáng)大，適用于簡單的控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和動(dòng)作控制方面。該芯片加密性強(qiáng)，具有超強(qiáng)抗干擾性能：

1.高抗靜電（ESD保護(hù)）

2.輕松過2KV/4KV快速脈沖干擾（EFT測試）

3.寬電壓，不怕電源抖動(dòng)

4.寬溫度范圍：-4O℃～85℃

5.I/O口經(jīng)過特殊處理

表1 12864液晶基本特性

6.單片機(jī)內(nèi)部的電源供電系統(tǒng)經(jīng)過特殊處理

7.單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路經(jīng)過特殊處理

8.單片機(jī)內(nèi)部的復(fù)位電路經(jīng)過特殊處理

9.單片機(jī)內(nèi)部的看門狗電路經(jīng)過特殊處理

該芯片在系統(tǒng)可編程，無需編程器，可遠(yuǎn)程升級，可以直接替換ATMEL，PHILIPS，Winbond等產(chǎn)品。

四、超聲波模塊

（一）超聲波測距原理

通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時(shí)的時(shí)間差就可以知道距離了。這與雷達(dá)測距原理相似。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。（超聲波在空氣中的傳播速度為34Om/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離（s），即：s=34Ot/2）

（二）超聲波測距的應(yīng)用領(lǐng)域

超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高。

（三）HC-SRO4超聲波測距模塊

HC-SRO4模塊可以提供2cm-4OOcm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)到3mm；可以滿足設(shè)計(jì)要求（見圖2）。

1.主要技術(shù)參數(shù)：

（1）使用電壓：DC5V

（2）靜態(tài)電流：小于2mA

（3）電平輸出：高5V

（4）電平輸出：低OV

（5）感應(yīng)角度：不大于15度

（6）探測距離：2cm-45Ocm

（7）高精度：可達(dá)O.3cm

2.模塊工作原理：

（1）采用IO觸發(fā)測距，給至少1Ous的高電平信號(hào)；

（2）模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)4Okhz的方波，自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回；

（3）有信號(hào)返回，通過IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(34OM/S))/2

3.模塊特點(diǎn)：

（1）超聲波對色彩和光照度不敏感，可在黑暗、有粉塵和測量透明物體的環(huán)境下使用；超聲波對電磁干擾不敏感，可在有電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作；超聲波易于集成化、小型化。

（2）超聲波會(huì)受溫度、氣流、材質(zhì)等影響；超聲波測距如欲達(dá)到一定精度，需要復(fù)雜的外圍電路支持。

五、顯示模塊

顯示單元部分采用12864液晶模塊，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，用于顯示測量距離，其顯示單元電路如圖3所示。

（一）12864液晶功能及優(yōu)勢

帶中文字庫的12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示；其顯示分辨率為128×64。內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字。

12864液晶模塊可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。

（二）12864液晶基本特性

12864液晶基本特性如表1所示。

六、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

超聲波測距的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序及顯示子程序組成。超聲波測距的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測距時(shí)），所以控制程序可采用C語言編程。

[1]張毅剛.新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2004.

[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2001.

[3]黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽制作實(shí)訓(xùn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.