基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄺愛華 李平

【摘要】 以STC89C52單片機(jī)作為核心控制電路，采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，以超聲波傳感器為檢測功能部件，利用在空氣中傳播的超聲波反射原理，結(jié)合單片機(jī)控制技術(shù)和超聲波在空氣中傳播的時(shí)間差原理來測量距離。系統(tǒng)主要包括單片機(jī)控制模塊、超聲波測距模塊以及距離顯示模塊。首先由超聲波測距模塊給單片機(jī)控制模塊發(fā)送超聲波并計(jì)時(shí)，然后由單片機(jī)控制模塊統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并計(jì)算距離，最后由數(shù)碼管顯示模塊顯示出來測試的距離，完成測距。本設(shè)計(jì)測距精度可以達(dá)到3mm，并且能夠提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能。

【關(guān)鍵詞】 超聲波 傳感器 距離測量

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，在人們的日常生活當(dāng)中，越來越多的科學(xué)技術(shù)成果得到了廣泛的運(yùn)用，也給人們的生活帶來了諸多方便。超聲波測距系統(tǒng)的研制，給很多領(lǐng)域帶來了方便。比如可以應(yīng)用于井深、液位和管道長度的測量等場合，也可用于建筑施工工地、汽車倒車系統(tǒng)以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控。展望未來，超聲波測距系統(tǒng)作為一種非常重要的測量工具在各個(gè)領(lǐng)域都將有很大的發(fā)展空間，為了滿足日益發(fā)展的社會需求，它將朝著測量精度更高的方向發(fā)展。

一、系統(tǒng)工作原理及總體方案設(shè)計(jì)

1.1 測距原理

通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的過程中計(jì)時(shí)，因?yàn)槌暡ㄔ诳諝庵袀鞑?，?dāng)在途中碰到障礙物時(shí)就會被立即立即反射回來，超聲波接收器收到反射波后立即停止計(jì)時(shí)。由于在空氣中超聲波的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，可以很容易地計(jì)算出從發(fā)射點(diǎn)到障礙物的距離S為：

在設(shè)計(jì)中按式S=170×N×T=170×N÷1000000計(jì)算距離。

1.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)兩部分。系統(tǒng)硬件電路主要由單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊、超聲波測距模塊和數(shù)碼管顯示模塊構(gòu)成。系統(tǒng)主控芯片選取STC89C52單片機(jī)，測量器件選取超聲波傳感器。通過對單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的編程，讓其接收信號、處理信號和發(fā)送命令，最后通過數(shù)碼管顯示模塊顯示出測量得到的距離值。因此，完整的超聲波測距系統(tǒng)主要包括單片機(jī)控制系統(tǒng)、超聲波的發(fā)射與接收系統(tǒng)和距離顯示系統(tǒng)。

在必要的時(shí)候，超聲波測距系統(tǒng)能夠通過單片機(jī)控制發(fā)射電路發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中向前傳播。在傳播的過程中，當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)就會被會反射回來，由接收電路接收。接收電路會把信號傳送到單片機(jī)中，由單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。所得到的結(jié)果會通過LED數(shù)碼管顯示出來。在此過程中，如果發(fā)射裝置與障礙物之間有相對運(yùn)動，那么 LED數(shù)碼管會不斷地顯示兩者之間最新的距離。而當(dāng)超出超聲波測距的范圍時(shí)，單片機(jī)便會發(fā)出一個(gè)指令，讓數(shù)碼管顯示不同的符號以便給出提示。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊、超聲波測距模塊和數(shù)碼管顯示模塊三個(gè)模塊組成，通過對三個(gè)模塊的分析與設(shè)計(jì)，再結(jié)合單片機(jī)的引腳功能，從而得到系統(tǒng)整體電路圖。

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成。STC89C52最小應(yīng)用系統(tǒng)電路。單片機(jī)最小系統(tǒng)有三個(gè)主要部分：

（1）時(shí)鐘電路：STC89C52單片機(jī)外接晶振及電容的引腳是引腳18和引腳19，工作頻率取決于晶振XT的頻率，芯片的工作頻率可在2～33MHz范圍之間選。在本設(shè)計(jì)中，為了保證振蕩器電路的穩(wěn)定性及快速性，兩個(gè)小電容C1和C2都取值30pF，頻率選用11.0592MHz晶振。

（2）電源電路：單片機(jī)系統(tǒng)能正常工作時(shí)，芯片引腳VCC接+5V直流穩(wěn)壓電源，引腳GND接電源+5V的負(fù)極，電源電壓范圍在4～5.5V之間。為了確定單片機(jī)是否供上電，在VCC和地之間連接了一個(gè)發(fā)光二極管和1K的電阻。

（3）復(fù)位電路：單片機(jī)在引腳RST上保持24個(gè)工作主頻周期的高電平，就可以完成復(fù)位。但復(fù)位電路應(yīng)使引腳RST保持10ms以上的高電平，才能保證系統(tǒng)可靠的復(fù)位。

2.2 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用四位七段數(shù)碼管作為顯示的器件，其中6、8、9、12引腳是數(shù)碼管的位選信號端，1、2、3、4、5、7、10、11引腳控制數(shù)碼管的位選，四位數(shù)碼管分別用一個(gè)S9015三極管進(jìn)行驅(qū)動。距離顯示電路如圖3所示。

2.3 超聲波模塊設(shè)計(jì)

超聲波換能器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它的功能是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率（即超聲波）再傳遞出去，而自身消耗很少的一部分功率，電源輸出到超聲波發(fā)生器，再到超聲波換能器，一般還要經(jīng)過超聲波導(dǎo)出裝置就可以產(chǎn)生超聲波了。本設(shè)計(jì)采用HC-SR04集成模塊作為系統(tǒng)的超聲波模塊，其內(nèi)部主要由超聲波發(fā)射電路和接收電路和控制電路三部分組成，HC-SR04是利用超聲波換能器來產(chǎn)生超聲波的器件。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是模塊化的思路來進(jìn)行設(shè)計(jì)和編寫程序，程序主要由系統(tǒng)主程序和中斷程序構(gòu)成。主程序的功能是完成單片機(jī)的初始化，超聲波信號的發(fā)射和接收、計(jì)算超聲波發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的距離和數(shù)碼管顯示等。中斷程序完成系統(tǒng)各種中斷服務(wù)。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的主要的功能是發(fā)射超聲波、接受超聲波、計(jì)算測量距離和數(shù)碼管顯示。

3.1主程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

主程序?qū)φ麄€(gè)測距系統(tǒng)初始化后，先將定時(shí)器T0啟動，同時(shí)對超聲波的回波接收標(biāo)志位置位并且由單片機(jī)P1.1端口給發(fā)出一個(gè)低電平命令用來啟動超聲波發(fā)射電路，然后調(diào)用計(jì)算距離的子程序，再結(jié)合定時(shí)器T0記錄的時(shí)間結(jié)果計(jì)算出被測距離，再將被測結(jié)果通過調(diào)用顯示子程序，以十進(jìn)制的形式在數(shù)碼管上顯示，最后主程序通過對回波信號的接收，完成后續(xù)的工作。在整個(gè)過程中，如果標(biāo)志位清零則說明接收到了回波信號，那么主程序就返回到初始端重新將回波接收標(biāo)志位置位并且在單片機(jī)的P1.1端口上發(fā)送低電平到超聲波發(fā)射電路，如此往復(fù)，系統(tǒng)連續(xù)不斷地運(yùn)行，循環(huán)不斷地工作來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測距的功能。

3.2 數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用4位共陽極數(shù)碼管來顯示距離，進(jìn)行動態(tài)掃描時(shí)是與單片機(jī)P0口相連接。因?yàn)樗鶞y的距離是不斷變化的，所以數(shù)碼管是在外部中斷0發(fā)生后才進(jìn)行顯示的。

當(dāng)主程序給超聲波發(fā)生器發(fā)送了信號后，此時(shí)中斷和定時(shí)器0便會被打開，并開始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波接收電路接收到了回波信號的時(shí)，系統(tǒng)便會在單片機(jī)的P1.0端口產(chǎn)生一個(gè)低電平信號，在單片機(jī)檢測到該信號后，定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，同時(shí)定時(shí)器的計(jì)數(shù)的次數(shù)將被送至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算，最后得出以cm為單位的測量的距離。

四、系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

理論上來講，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的超聲波模塊測距時(shí)存在的盲區(qū)大約為2cm左右，而且本設(shè)計(jì)理論上的測量距離范圍為2cm～5m，測量的誤差比較小，測量顯示值穩(wěn)定，可以精確到0.3cm，能滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)尺子測量一頁打印紙的長度為25.6cm，然后利用超聲波測距儀測量精確度。首先將紙分別平放在桌面，然后用一個(gè)表面平整的障礙物立起來放在紙張的邊緣，讓測距儀的超聲波探頭對準(zhǔn)障礙物，經(jīng)測量之后結(jié)果顯示為25.5cm，誤差0.1cm，測量較為準(zhǔn)確；拿著超聲波測距儀站在離墻面2米的地方，測量結(jié)果為199.8cm，誤差0.2cm。

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