基于單片機(jī)AT89S52的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孟凡宇

摘? 要：隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，古代沿襲的接觸式測(cè)距方式在某些特殊情景存在難以接觸目標(biāo)的缺陷，例如，在進(jìn)行深油井深度測(cè)距時(shí)工作人員難以直接接觸井底。該文針對(duì)接觸式測(cè)距的局限性，利用超聲波高精度、無損、非接觸等優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)AT89S52的超聲波測(cè)距儀。

關(guān)鍵詞：超聲波? 測(cè)距? AT89S52? HC-SR04? LCD1602

中圖分類號(hào)：TP274.53 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）01（b）-0075-03

Abstract： With the advancement of modern industrial technology， the contact ranging method that was handed down in ancient times has the defect of being difficult to reach the target in some special work scenes. For example， when measuring the depth of deep oil wells， its hard for workers to directly reach the bottom of the well. In view of the limitations of contact ranging， this paper designs an ultrasonic range-finder based on single chip microcomputer AT89S52 by taking advantages of the high-precision and non-contact of lossless ultrasonic.

Key Words： Ultrasonic; Ranging; AT89S52; HC-SR04; LCD1602

1? 引言

1.1 課題研究的背景和意義

隨著時(shí)代的發(fā)展進(jìn)步，接觸式測(cè)距逐漸展露弊端：極端工作環(huán)境（如化工廠液位測(cè)量、隧道長(zhǎng)度勘測(cè)等），工作人員難以直接接觸測(cè)量目標(biāo)，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)距很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量;另外，長(zhǎng)距離下接觸式測(cè)距不能保證時(shí)效性，在要求實(shí)時(shí)測(cè)距的工作場(chǎng)合會(huì)影響工程進(jìn)度，因此接觸式測(cè)距被非接觸式測(cè)距逐漸替代。非接觸測(cè)距是以現(xiàn)代科學(xué)中微波、電磁、傳感器等技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合電子設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行不接觸被測(cè)目標(biāo)而得到距離信息的方法，其中激光測(cè)距與超聲波測(cè)距作為現(xiàn)如今實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)距的兩種首要手段，在實(shí)際工作中發(fā)揮了很大作用，但由于激光技術(shù)要求高，制造激光發(fā)生設(shè)備花費(fèi)十分昂貴，所以僅僅作為軍事測(cè)距手段不適于大規(guī)模推廣，相比之下超聲波測(cè)距憑借相對(duì)較低的技術(shù)難度與低廉的成本在民用市場(chǎng)脫穎而出。超聲波測(cè)距檢測(cè)迅速、方便、易于實(shí)時(shí)控制。與此同時(shí)，單片機(jī)技術(shù)作為一種新興的電子技術(shù)火速興起如日方升，能夠在穩(wěn)定高效地完成任務(wù)的同時(shí)保證電子系統(tǒng)的安全性，且經(jīng)濟(jì)適用。單片機(jī)無需占用很大的空間，通過使用科學(xué)的算法就可以充分發(fā)揮其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，這使得其在工業(yè)應(yīng)用中的地位舉足輕重。

1.2 主要內(nèi)容

該文在已有的理論知識(shí)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種測(cè)距儀使用超聲波技術(shù)并利用單片機(jī)技術(shù)作為核心進(jìn)行一定范圍內(nèi)的距離實(shí)測(cè)。該系統(tǒng)使用超聲波測(cè)距模塊HC-SR04作為非接觸測(cè)距的實(shí)現(xiàn)手段，以單片機(jī)AT89S52為核心控制HC-SR04發(fā)出超聲波脈沖進(jìn)行測(cè)距。考慮到溫度會(huì)影響聲波的傳播速度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有溫度檢測(cè)電路，選用溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度補(bǔ)償，減小測(cè)量誤差。同時(shí)，測(cè)距儀的顯示功能由LCD1602液晶顯示屏完成，顯示測(cè)距儀測(cè)距數(shù)據(jù)與空氣溫度數(shù)據(jù)。由于該系統(tǒng)測(cè)距范圍有限，配有蜂鳴器報(bào)警功能，提醒使用者超出測(cè)距范圍。

2? 系統(tǒng)概述

2.1 簡(jiǎn)介

聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生的，當(dāng)振動(dòng)頻率過高或過低超出人耳的聽覺范圍時(shí)人類將無法聽辨這種聲音，振動(dòng)頻率超過20000Hz的聲波就是超聲波。聲音再空氣等介質(zhì)中傳播，遇到障礙物會(huì)反射回來，這就是聲波的反射特性。如果已知聲波速度v，只需獲得聲波開始發(fā)射到返回結(jié)束的時(shí)間t，將數(shù)據(jù)帶入公式（1），就可以計(jì)算得到聲波傳播的距離D，這就是超聲波的測(cè)距原理：回聲探測(cè)法。該文所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀在工作時(shí)，單片機(jī)會(huì)控制定時(shí)器產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，使超聲波模塊HC-SR04的發(fā)射探頭發(fā)射超聲波脈沖信號(hào)，同時(shí)HC-SR04模塊接收探頭不斷檢測(cè)回波，當(dāng)接收到反射回來的超聲波時(shí)記錄所用時(shí)間并將數(shù)據(jù)返回單片機(jī)，計(jì)算得到距離信息并在屏幕上顯示出來。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

出于低成本、高精度的目的，該文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)AT89S52的超聲波測(cè)距儀，采用AT89S52芯片控制定時(shí)器產(chǎn)生超聲波脈沖并計(jì)時(shí)，計(jì)算超聲波從發(fā)射至接收的往返時(shí)間，利用HC-SR04模塊測(cè)量距離，將距離數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理;選用溫度傳感器DS18B20檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境溫度，并在LCD1602上顯示距離、環(huán)境溫度信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)距離實(shí)測(cè);同時(shí)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了蜂鳴器報(bào)警電路，以保證在超出測(cè)量范圍時(shí)報(bào)警提醒。其中，超聲波測(cè)距儀的關(guān)鍵模塊包括HC-SR04超聲波測(cè)距模塊、單片機(jī)AT89S52最小系統(tǒng)、顯示模塊以LCD1602及數(shù)字溫度傳感器DS18B20。

3? 系統(tǒng)調(diào)試與分析

3.1 介紹

此章對(duì)基于單片機(jī)AT89S52的超聲波測(cè)距儀進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)，包括系統(tǒng)Proteus仿真、硬件實(shí)現(xiàn)與測(cè)試分析。首先，在軟件Proteus 8 Professional進(jìn)行系統(tǒng)電路的仿真，確保所搭建的系統(tǒng)電路和所編寫程序的正確性;其次，搭建硬件系統(tǒng)，將程序通過燒錄軟件AVR Fighter，使用ISP下載線燒錄進(jìn)已經(jīng)焊接好的硬件中;最后，對(duì)超聲波測(cè)距硬件系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與分析。

3.2 仿真分析

超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)仿真電路如圖1所示。

運(yùn)行仿真，可以看到圖1右上方的LCD1602液晶屏顯示出距離溫度信息“Temperature：25℃，Distance：209CM”，如圖2所示。

3.3 硬件調(diào)試與分析

系統(tǒng)開機(jī)后，超聲波測(cè)距儀正對(duì)墻壁，初始測(cè)量數(shù)據(jù)顯示為“Temperature：27℃，Distance：068CM”。與測(cè)量尺測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

4? 結(jié)語

該文所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)AT89S52的超聲波測(cè)距儀主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、HC-SR04超聲波測(cè)距模塊、驅(qū)動(dòng)顯示電路及報(bào)警電路和溫度檢測(cè)電路4個(gè)部分。該文所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)AT89S52的超聲波測(cè)距儀，硬件模塊和系統(tǒng)程序在經(jīng)過多次的修改和調(diào)試后可以實(shí)現(xiàn)距離和環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)與顯示，并在測(cè)量距離超過所設(shè)量程時(shí)報(bào)警，測(cè)量距離范圍可以達(dá)到0.02～4m、測(cè)量精度為0.01m。通過對(duì)環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度，實(shí)現(xiàn)了利用超聲波測(cè)距原理測(cè)量距離并且將距離信息顯示在LCD1602屏幕上。因此，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

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