基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

雷文禮+任新成+邵婷婷

摘 要： 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，芯片價(jià)格日益降低，可靠性穩(wěn)步提升，用智能技術(shù)為人們的生產(chǎn)和生活提供便利成為一種迫切的需求。超聲波測距作為一種便捷的無線測距手段，有效避免了測距人員與危險(xiǎn)環(huán)境的接觸，可以很好地滿足無線測距的現(xiàn)實(shí)需求。這里設(shè)計(jì)一種可以實(shí)時(shí)測量的便捷式測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對障礙物實(shí)時(shí)測量，具有操作簡單，可靠性高的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 超聲波； STC89C52； 無線測距； 實(shí)時(shí)性

中圖分類號： TN912.203.1?34； TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）15?0012?03

Design and implementation of ultrasonic range?finding system based on

single chip microcomputer

LEI Wenli， REN Xincheng， SHAO Tingting

（College of Physics and Electronic Information， Yanan University， Yanan 716000， China）

Abstract： With the rapid development of computer technology， it leads to chip prices reduction increasingly and reliability promotion steadily. It′s an urgent demand to provide convenience for people′s life and industrial production by using intelligent technology services. As a convenient wireless range?finding means， ultrasonic range?finding avoids the range?finding staff′s contact with dangerous environment effectively， and can better realize the demand of wireless range?finding. A portable range?finding system which can measure in real?time was design. The system can measure barrier in real?time， and has the advantages of simple operation and high reliability.

Keywords： ultrasonic； STC89C52； wireless range?finding； real?time performance

在人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中，經(jīng)常會碰到一些需要非接觸測距的場合，如帶腐蝕的液體，強(qiáng)電磁干擾，有毒等惡劣條件下，測量距離存在不可克服的缺陷。超聲波測距作為一種便捷的無線測距手段，有效避免了測距人員與危險(xiǎn)環(huán)境的接觸，可以很好地滿足無線測距的現(xiàn)實(shí)需求，獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。本文設(shè)計(jì)一種可以實(shí)時(shí)測量的便捷式測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對障礙物實(shí)時(shí)測量，具有操作簡單，可靠性高的特點(diǎn)。

1 超聲波測距原理

超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，同時(shí)開始計(jì)時(shí)[2]，當(dāng)超聲波接收器收到超聲碰到障礙物后的反射波時(shí)，立即停止計(jì)時(shí)，記錄時(shí)間[t。]根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間[t，]用速度距離公式，可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離[S，]即：[S=340t2。]

在測距時(shí)，當(dāng)傳播介質(zhì)溫度變化不大時(shí)，近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是不變的，只要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離，如圖1所示。

圖1 超聲波的測距原理

[H=Scosθ] （1）

[θ=arctanLH] （2）

式中[L]表示兩探頭之間中心距離的一半。

超聲波的傳播距離為：

[2S=vt] （3）

式中：[v]為超聲波的傳播速度；[t]為從發(fā)射到接收所用的時(shí)間。

將式（2），式（3）代入式（1）中，得：

[H=12vtcosarctanLH] （4）

當(dāng)需要測量的距離[H?L]時(shí)，則式（4）變?yōu)椋?/p>

[H=12vt] （5）

所以，這里需要精確測量出超聲波傳播的時(shí)間[t，]就可以根據(jù)上述公式，計(jì)算出需要測量的距離[H。]

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)按模塊劃分為測距模塊、控制模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊[3]，如圖2所示。電路結(jié)構(gòu)可劃分為超聲波傳感器電路、報(bào)警電路、單片機(jī)控制電路。就此設(shè)計(jì)的核心模塊來說，單片機(jī)就是該設(shè)計(jì)的中心單元。系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為核心控制單元，當(dāng)測得的距離小于設(shè)定距離時(shí)，主控芯片將測得的數(shù)值與設(shè)定值進(jìn)行比較處理，然后控制蜂鳴器報(bào)警[4]。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路總設(shè)計(jì)如圖3所示，該設(shè)計(jì)中要用到如下器件：STC89C52、超聲波傳感器、按鍵、四位數(shù)碼管、蜂鳴器等一些單片機(jī)外圍應(yīng)用電路[5]。其中，D1為電源工作指示燈，電路中用到3個(gè)按鍵，一個(gè)是設(shè)定鍵， 一個(gè)加鍵，一個(gè)減鍵。

圖2 系統(tǒng)組成圖

超聲波模塊采用HC?SR04超聲波模塊，該模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路，具有2～400 cm的非接觸測距功能，精度可達(dá)3 mm，模塊采用I/O口TRIG觸發(fā)測距，可自動發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，并檢測是否有信號返回。若有信號返回，則通過I/O口ECHO輸出一個(gè)高電平，該高電平的持續(xù)時(shí)間即為超聲波從發(fā)射到返回[6]的時(shí)間t。

[測試距離=（高電平時(shí)間×340）2]

超聲波模塊如圖4所示，供電電壓[VCC]為5 V，TRIG為觸發(fā)控制信號輸入，ECHO為回響信號輸出線。

圖4 超聲波模塊實(shí)物圖

本文設(shè)計(jì)采用定時(shí)器0進(jìn)行時(shí)間測量，設(shè)置TCNTT0為預(yù)設(shè)值0XCE，8分頻，當(dāng)定時(shí)器0溢出中斷發(fā)生2 500次時(shí)為125 ms，計(jì)算公式如下（單位：ms）：

[T=（定時(shí)器0溢出次數(shù)×（0XFF?0XCE））1 000]

式中定時(shí)器0初值計(jì)算依據(jù)分頻不同而有差異。

顯示模塊采用LCD1602字符型液晶顯示電路，顯示接口電路如圖5所示。

圖5 LCD1602顯示電路

聲音報(bào)警電路采用三極管、電阻和一個(gè)揚(yáng)聲器連接到主控制器的P13引腳上，構(gòu)成一個(gè)聲音報(bào)警電路，如圖6所示。

本設(shè)計(jì)中復(fù)位電路采用在RESET端持續(xù)給出2個(gè)機(jī)器周期的高電平，復(fù)位電路如圖7所示。

圖6 聲音報(bào)警電路圖 圖7 復(fù)位電路圖

電源部分的設(shè)計(jì)采用3節(jié)5號干電池4.5 V供電。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序工作流程如圖8所示。

圖8 主程序工作流程圖

系統(tǒng)啟動后，首先自動進(jìn)行初始化，然后用測定距離和設(shè)定值進(jìn)行比較，如果大于設(shè)定值則返回初始化，如果小于設(shè)定距離便啟動報(bào)警器，然后進(jìn)行距離比較，如果依然大于設(shè)定值便結(jié)束報(bào)警。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)和電路連接圖進(jìn)行了詳細(xì)描述，該系統(tǒng)能對中近距離障礙物進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，具有操作簡單，可靠性高的特點(diǎn)。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于汽車倒車?yán)走_(dá)等現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，并為其他無線測距方案提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳政江.單片機(jī)控制紅外線防盜報(bào)警器[J].實(shí)用電子制作，2006（12）：26?28.

[2] 宋文緒.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3] 余錫存.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[4] 唐桃波，陳玉林.基于AT89C51的智能無線安防報(bào)警器[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2003（6）：49?51.

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[6] 薛均義，張彥斌.MCS?51系列單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2005.