基于單片機的超聲波測距儀設計

袁龍超 李源卓

（國網(wǎng)河南省電力公司偃師市供電公司，河南 偃師 471900）

一、引言

（一）超聲波測距儀的研究背景

伴隨著科學技術發(fā)展欣欣向榮，超聲波在測距中的應用越來越廣泛。但就目前的水平，人們使用的測距技術還十分有限。因此這是個蓬勃發(fā)展并有無限遠景的技術及其產(chǎn)業(yè)規(guī)模。超聲波具有一些獨有的特點，它的方向性強，再加上傳播時受介質(zhì)條件影響小，因此被用于超聲波測距，可以說大多數(shù)測距方式都能通過超聲波實現(xiàn)。使用超聲波檢測通常比較迅速、快捷、算法簡易、能夠及時控制。

人們在超聲波的研發(fā)方面投入了大量人力物力。在軍事方面尤為重要，海洋測距的聲吶可以作為某些武器的偽裝對象，潛水艇利用聲吶實現(xiàn)遠距離測距；研制更適合與潛海工作相關的潛艇聲吶，可以解決淺海水中目標識別問題；超聲波測距必定要與現(xiàn)代無線電技術與自動化技術相結合，實現(xiàn)多功能測距。隨著正在進步的測距技術，從單純的判斷功能到具有學習功能，最終具備創(chuàng)造力。在新的世紀，測距儀將發(fā)揮更大的作用。

（二）國外超聲波測距儀系統(tǒng)的現(xiàn)狀

國際測距的儀器表在很早采用機械的原理。隨著電子技術的廣泛應用，它正在向著機電一體化的目標成長，并且出現(xiàn)了很多衡量標準。在傳統(tǒng)的理論已經(jīng)滲透到了電子技術和計算機技術的發(fā)展的同時，其結構有了很大的改良，功能有了很大的提高。從國外測距儀器發(fā)展的技術方向看，目前常用的新技術有距離測量和自動化儀表設計，計算機輔助測試專用集成電路技術和表面安裝技術等。

（三）國內(nèi)超聲波測距儀系統(tǒng)的現(xiàn)狀

我國關于超聲波的大規(guī)模研究始于1956年。中國測試技術研究所李茂山在《超聲波測距原理及實踐技術》中詳細地闡述了超聲波測距原理，也給出了實現(xiàn)超聲波測距的具體框圖，并討論了影響超聲波測距精度的幾種因素。在該文中，他并未提到超聲波測距所需的一些具體實用電路，只給出了測距一般所需的電路名稱，也沒有提及各種電路的匹配。

（四）超聲波測距儀系統(tǒng)的研究意義

目前超聲波的傳輸時間和在介質(zhì)中的傳播速度，是影響超聲波測距精度的主要因素，而兩者之間以傳輸時間影響為主，因此，為提高測距精度，減少傳輸時間的不確定性的方法被大多數(shù)文獻采用。

因為超聲波測距技術本身就是一種非接觸檢測技術，不受光照強度、被測對象色澤等因素影響，與其它的儀器相對比更加衛(wèi)生、防潮濕、耐腐蝕性氣味氣體、耐高溫等特點，具有不污染、少維護、可靠性高、壽命長等優(yōu)點，因而超聲波測距系統(tǒng)能夠應用在車輛倒車雷達、施工地點、機器人無障礙行走還有管進長度測量，工業(yè)井深等場所。所以超聲波測距系統(tǒng)的研發(fā)有著實際意義。

二、總體設計

（一）方案確定

此次測距系統(tǒng)采用超聲波渡越時間檢測法。工作原理：從超聲波發(fā)射器發(fā)射信號，到超聲波接收器收到信號，這兩者之間的時間為T，即為運輸時間，再測出距離L。假設L是所要求的測量距離，T是往返的時間差，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度為V，于是L=CT/2。超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。然后由單片機計算距離，輸送到數(shù)碼管顯示結果。

（二）總體設計

HC-SR04作為超聲波測距模塊，WT588D作為語音模塊，STC89C52單片機作為微處理器使用，采用共陽極數(shù)碼管作為顯示模塊。HC-SR04集成的發(fā)射電路模塊發(fā)出超聲波，一遇到障礙物就產(chǎn)生回波，會被接收電路模塊接收，STC89C52單片機統(tǒng)計出聲波傳輸所用的時間T，通過溫度補償，能夠精確算出待測距離，與此同時WT588D會播報當前的測試距離，進行數(shù)據(jù)的交換處理，再通過數(shù)碼管顯示。

三、硬件電路設計

（一）單片機控制模塊

STC89C52單片機，具有測量速度快，功率損耗小，抗干擾能力強的特點。完全兼容傳統(tǒng)的STC系列單片機指令代碼，各個端口連接不同的電路器件，實現(xiàn)相應的功能。

（二）超聲波發(fā)射模塊

HC-SR04模塊的超聲波發(fā)射電路，單片機相連的部分均接有濾波電容，主要是起到通高頻阻低頻，通交流隔直流的作用，電阻值選用10k,主要是起到保護電路的作用。采用pnp型三極管，是因為其發(fā)射結和集電結耐壓高，性能良好。

（三）語音模塊

WT588D性能優(yōu)良，使用方便，與51單片機有一個非常類似的性能。。WT588D功能強大，這種芯片可以多次擦寫。任何一種VioceChip WT588D軟件控制模式支持WT588D語音芯片的隨機替換，可以下載到SPI-Flash的信息。軟件操作方式具有簡潔易懂的特點，綜合語音組合技術，極大的減少語音編輯時間。

四、系統(tǒng)軟件設計

超聲波測距系統(tǒng)的軟件部分主要由數(shù)碼管段選定義，語音模塊定義，語音地址，1ms延時函數(shù)，小延時函數(shù)，三線發(fā)碼子程序，數(shù)碼位選函數(shù)，數(shù)碼顯示函數(shù)，超聲波測距程序，處理距離函數(shù)，定時器初始化，定時中斷服務程序，主函數(shù)等組成。匯編語言運行時間快，但對于超聲波測距這種大程序，最好選用c語言編程。

（一）主程序

軟件主要由兩部分組成，主程序和中斷服務程序。主程序?qū)崿F(xiàn)工作的初始化、各路超聲波的發(fā)射和控制接收順序。

定時中斷服務子程序控制超聲波的發(fā)射，外部中斷服務子程序是進行一些數(shù)據(jù)處理。

（二）外部中斷服務子程序

外部中斷服務子程序簡而言之就是數(shù)據(jù)處理過程。外部中斷管腳檢測回波信號，如果有回波信號被接收，就進入中斷服務程序。如果沒有回波信號，那么定時器溢出，外部中斷關閉，測距不成功。

結論

本次設計介紹了一種基于單片機的超聲波測距儀的設計，給出了相應的軟件和硬件的設計方案?；灸軌?qū)崿F(xiàn)該測距儀的功能：

1.距離精確到小數(shù)點后兩位小數(shù)，通過語音播報距離。

2.8段數(shù)碼管實時顯示測出的距離，每隔3秒更新一次。

3、當測出的距離超出量程時，8段數(shù)碼管不顯示距離，并且提示測量已超出量程。

此次設計的測距儀具有市場前景，滿足一定的市場需求，也可作為導盲人士的導盲儀使用，其規(guī)格不大，攜帶方便，能很容易的安裝在需要測量距離的位置。通過數(shù)碼管顯示距離，同時語音播報距離，這就可以方便人們的生活。