基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計

周建國　彭志雄

摘 要：本設(shè)計是以單片機技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對前方物體距離的測量。根據(jù)超聲波指向性強，能量消耗慢，在介質(zhì)中傳播距離遠的特點，利用超生波傳感器對前方物體進行感應(yīng)，經(jīng)過STC89C52單片機中的程序?qū)Τ暡▊鞲衅靼l(fā)射和接收的超聲波信號進行分析和計算處理，最后將處理結(jié)果在LCD1602上顯示，并設(shè)置若干功能按鍵。測量范圍為2cm到300cm。

關(guān)鍵詞：STC89C52；HC-SR04超聲波傳感器；LCD1602

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.216

0 引言

由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，具有不污染、高可靠、等特點。因此可廣泛應(yīng)用于車輛自動導(dǎo)航、物體識別與定位、車輛安全行駛輔助系統(tǒng)乃至地形地貌探測等許多領(lǐng)域中?？稍诓煌h(huán)境中進行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、飲料等液位控制，可進行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲波測距技術(shù)在生產(chǎn)實踐中發(fā)揮著重要作用。

利用超聲波測量技術(shù)能夠比較快速、便捷，且易于做到實時控制，此外在測量精度上能達到工業(yè)級的指標(biāo)要求。因此，超聲波測距在移動機器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點，因此也廣泛應(yīng)用在汽車倒車?yán)走_等方面。

1 超聲波測距的原理

（1）超聲波的基本理論。超聲波技術(shù)是一門以機械、材料科學(xué)、信息科學(xué)以及半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)的、應(yīng)用廣泛的綜合性學(xué)科。超聲波技術(shù)在生產(chǎn)實踐中能夠大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)過程的安全性和生產(chǎn)設(shè)備的安全運行、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。因此，人們對超聲波技術(shù)的應(yīng)用進行了深入的研究。

超聲波技術(shù)包含了超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收這三個過程。超聲波的特性有聚束、反射、投射以及定向性。根據(jù)超聲波輻射功率的大小，大致可以分為兩種，一種是用超聲波使物體的物性變化的功率應(yīng)用，稱為功率超聲；另一種是用超聲波獲取信息，稱為信息超聲。

（2）超聲波測距系統(tǒng)原理。在超聲波測距系統(tǒng)中，先有單片機產(chǎn)生一個40us的高電平觸發(fā)信號給超聲波產(chǎn)生模塊，發(fā)射探頭發(fā)出8個40kHz的脈沖，然后模塊產(chǎn)生一個脈沖信號，其寬度為發(fā)射與接收的時間間隔，被測物體距離越遠，所產(chǎn)生的脈沖寬度越大。超聲測距的方法大致有以下幾種：1）取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 （其幅值基本固定 ）與距離成正比，測量電壓即可測出距離；2）測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔t，因此被測距離為S=0.5×v×t。在本系統(tǒng)中采用第二種方案。在高精度的中長距離測量中，適合使用超聲波測距，由于超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45m/s，由單片機負(fù)責(zé)計時，單片機的晶振使用11.0592M，因此在理論上系統(tǒng)可以達到毫米級的測量精度。

超聲波測距的算法設(shè)計： 超聲波在空氣中傳播速度為340m/s（15℃時）。T2是接收到超聲波的時刻，T1是發(fā)射超聲波的時刻，T2—T1得出時間間隔的絕對值，假定T2—T1=0.05s，則有340m×0.05s=17m。超聲波測距系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下圖所示：

2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計

（1）超聲波發(fā)射電路設(shè)計。超聲波發(fā)射電路是由超聲波發(fā)射探頭和超聲波運算放大器構(gòu)成。超聲波發(fā)射探頭是將電信號轉(zhuǎn)換為機械振動波發(fā)射出去，而單片機所產(chǎn)生的8個40 kHz的方波需要進行放大后才能驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭將超聲波發(fā)射出去，因此發(fā)射驅(qū)動實際上是一個信號調(diào)理電路，本設(shè)計中選用74LS04芯片進行信號的放大。

在發(fā)射電路正常工作時，由單片機產(chǎn)生40 kHz的脈沖從P3^1口向超聲波的發(fā)射電路部分發(fā)出指令信號，再經(jīng)74LS04放大電路放大后，驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭將超聲波發(fā)射出去。

（2）超聲波接收電路設(shè)計。超聲波在空氣中傳播會隨著距離的增加而減弱，如果測量距離較遠，則超聲波接收電路所接收到的超聲波信號就會比較微弱，因此需要對接收到的微弱信號進行放大。超聲波的接收電路是由集成芯片CX20106A為核心構(gòu)成的，CX20106A芯片電路可以對接收到的超聲波信號進行放大、整形、帶通濾波、限幅、峰值檢波、比較等功能，之后超聲波接收電路會輸出一個低電平到單片機去請求中斷，同時單片機停止計數(shù)，并開始去進行數(shù)據(jù)處理。

CX20106A芯片中的前置放大器具有自動增益控制（AGC）功能，當(dāng)測量距離較短時，放大器增益會自動減小，因而不會過載；而當(dāng)測量距離較遠時，超聲波信號微弱，前置放大器就會自動增加增益值，從而得到合適的輸出信號。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

（1）基于LCD1602的顯示模塊：分為等待子程序、寫入子程序、顯示子程序以及初始化子程序；

（2）距離計算程序：分為超聲波發(fā)送控制子程序和信號接收處理子程序；

（3）由于C語言有更大的優(yōu)勢，因此本系統(tǒng)的程序設(shè)計語言使用C語言。編譯器使用KeiluVision4進行程序編譯與調(diào)試；

（4）主程序：可分為系統(tǒng)初始化子程序、顯示子程序、按鍵處理以及中斷處理子程序等部分。

4 結(jié)論

本設(shè)計利用超聲波傳感器實現(xiàn)無接觸式空氣測距，傳感器根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境溫度對初始的距離值進行校正，此時無需在程序中對超聲波聲速進行校正，即無論溫度多少，聲速選擇340m/s 即可。故本系統(tǒng)在常溫下具有測量精度高、抗干擾能力強等特點，可適用于各種障礙物的識別以及車輛自動導(dǎo)航等領(lǐng)域，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡介：周建國（1995-），男，在讀本科，研究方向：MCU應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計。