淺析超聲波測距儀設(shè)計(jì)

摘 要：本文研究了一種基于單片機(jī)技術(shù)的超聲波測距設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)是以STC89C51單片機(jī)為中心結(jié)構(gòu)，結(jié)合超聲波傳感器，經(jīng)MCU處理運(yùn)算，當(dāng)測得距離小于設(shè)定值時(shí)，STC89C51發(fā)出指令控制蜂鳴器報(bào)警，并且報(bào)警頻率可以隨著距離變化而變化，當(dāng)距離越小，報(bào)警頻率越快。

關(guān)鍵詞：超聲波;傳感器;STC89C51

采用MCS-51系列單片機(jī)作為主控制芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)超聲波檢測距離，數(shù)據(jù)的顯示以及各項(xiàng)功能的設(shè)置。本系統(tǒng)通過利用超聲波傳輸?shù)木嚯x與時(shí)間，并采用51單片機(jī)進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理，能精確測量兩點(diǎn)間距離，用戶還可以通過按鍵設(shè)置報(bào)警距離，如果測量的距離低于設(shè)置的報(bào)警，則通過蜂鳴器發(fā)出聲音并提醒用戶超出設(shè)置范圍。

1.論文的選題背景和研究意義

超聲波技術(shù)是一種非接觸式測量，它更耐潮濕，灰塵，高溫，腐蝕性氣體和其他惡劣環(huán)境。它具有更少的維護(hù)，無污染，高可靠性和長壽命的特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于造紙，采礦，電廠，化工，水處理廠，污水處理廠，農(nóng)業(yè)用水，環(huán)境試驗(yàn)，食品等行業(yè)。在線校準(zhǔn)精度可以在不同的環(huán)境下實(shí)施，可以用來直接控制水，酒，糖，飲料等的水平，不同的是直接液位各級(jí)液位，物料您可以查看和設(shè)置關(guān)卡的高度。所以，在特殊空氣環(huán)境中超聲波距離的測量具有廣泛的應(yīng)用。

2.課題主要研究

“超聲波測距儀設(shè)計(jì)”設(shè)計(jì)包括51單片機(jī)最小微計(jì)算系統(tǒng)，超聲波模塊，驅(qū)動(dòng)顯示電路，報(bào)警電路和按鍵電路。范圍由HC-SR04超聲波模塊測量，數(shù)據(jù)分析和處理，傳輸?shù)?1微型計(jì)算機(jī)芯片，然后通過LED數(shù)碼管顯示。報(bào)警距離可通過按鍵調(diào)節(jié)，電源部分采用穩(wěn)壓直流5V電源。

2.1方案比較

2.1.1激光測量距離

激光測量距離，一般有兩種方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)于距離的測量，分別是脈沖和相位測量原理。脈沖測量距離的過程：首先是由測量裝置發(fā)出一束激光，然后再由測量裝置進(jìn)行反射，直到測量裝置接收為止，與此同時(shí)測量裝置還會(huì)記錄這束激光來回所用時(shí)間，以及光速，即這就是有關(guān)于脈沖原理的距離測量。相位法測量距離的過程：激光束的幅度由無線電頻帶的頻率調(diào)制，測量進(jìn)出線的調(diào)制光引起的相位延遲，然后由相位延遲表示的距離是調(diào)制光它根據(jù)波長進(jìn)行轉(zhuǎn)換。間接方法用于確定光線通過線路所需的時(shí)間。

2.1.2超聲波測量距離

超聲波測量距離的基本原理是利用空氣中已知超聲波的色散傳播速度來進(jìn)行聲波測量，發(fā)射之后的超聲波遇到障礙物會(huì)立即反射回來的時(shí)間，然后根據(jù)聲波的發(fā)射以及接收到的時(shí)間差能夠準(zhǔn)確無誤的計(jì)算出聲波發(fā)出的位置到障礙物之間的準(zhǔn)確地址，這也就相當(dāng)于雷達(dá)原理，在超聲波發(fā)射范圍內(nèi)，如果超聲波在某個(gè)地方進(jìn)行超聲波發(fā)射，同時(shí)在發(fā)射的那一瞬間就已經(jīng)開始記錄聲波發(fā)射的時(shí)間，在聲波傳輸過程中，如果傳輸?shù)穆暡ㄔ谥型居龅秸系K物會(huì)立即反射回來，然后如果超聲波接收器能夠接收到反射回來的聲波，此刻就已經(jīng)停止記錄時(shí)間。

對(duì)于激光和超聲波測量距離這兩種方案來說，顯而易見我會(huì)采用方案二，此電路原理比較簡單，電路設(shè)計(jì)也比較簡單，所以我會(huì)采用方案二。

2.2電路總體方案

本設(shè)計(jì)由硬件和軟件設(shè)計(jì)共同實(shí)現(xiàn)。該模塊被分為采集數(shù)據(jù)、控制按鍵、顯示四位數(shù)碼管、蜂鳴器報(bào)警四個(gè)主要模塊?；趩纹瑱C(jī)的超聲波模塊為本設(shè)計(jì)核心部分，基于此，本設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)為超聲波測距儀系統(tǒng)，所以，本設(shè)計(jì)主控芯片為用STC89C51單片機(jī)，當(dāng)所設(shè)置的報(bào)警值高于測量的距離值，單片機(jī)會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及與設(shè)置的距離值進(jìn)行比較，繼而能夠控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總方案框圖如圖1所示：

2.3超聲波測距模塊的主要性能

HC-SR04超聲波測距模塊對(duì)障礙物的測量距離范圍在2cm-400cm，可精確到3mm。該模塊的基本工作原理如下：

（1）在此模塊中，一般會(huì)用到IO端口TRIG進(jìn)行觸發(fā)測量距離，但是該電路要提供大于10us的高電平信號(hào);

（2）8個(gè)40khz方波可以自己發(fā)送出來，可檢測信號(hào)反饋情況;

本模塊主要特點(diǎn)如下：

（1）體積超小，相當(dāng)于兩個(gè)發(fā)射端，接收頭的面積已經(jīng)縮小很多;

（2）沒有盲區(qū)（10mm以內(nèi)的較大三角形誤差，簡單可以視為0）;

（3）響應(yīng)速度快，測量周期10ms，不易丟失高速目標(biāo);

（4）發(fā)射端必須靠近接收端并且發(fā)射、接收端要與待測物體保持在同一水平上;

（5）該模塊上有LED燈，其目的是為了能夠更好地進(jìn)行測試以及觀察結(jié)果。 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.4 HC-SR04超聲波測距原理

超聲波技術(shù)測量距離就是利用超聲波發(fā)射到接收需要的時(shí)間T而實(shí)現(xiàn)，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度是C，從超聲波發(fā)出的位置到障礙物的距離D，由此可知障礙物的距離，計(jì)算距離的公式：D =CT / 2。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3.系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

主程序的功能是由超聲波檢測模塊檢測超聲波到障礙物的距離，然后將檢測到的距離值傳入單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理后，并且與之前設(shè)置的報(bào)警值進(jìn)行比較判斷，如果測量的距離小于預(yù)先設(shè)置的報(bào)警值時(shí)， STC89C51單片機(jī)就會(huì)發(fā)出指令控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，并且報(bào)警頻率可以隨著距離變化而變化，當(dāng)距離越小，報(bào)警頻率越快。主程序的流程圖如圖3所示。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡漢才.單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[2]王守中.51單片機(jī)開發(fā)入門與典型實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[3]陳雪麗.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4]薛均義，張彥斌.MCS-51系列單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用.西安：西安交通大學(xué)出版社，2008.

[5]唐穎，程菊花，任條娟.單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011

[6]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）[M].北京： 高等教育出版社，2004.

作者簡介：

張文有（1967—），女，漢族，甘肅蘭州，副教授，蘭州工業(yè)學(xué)院，研究方向：電力工程及自動(dòng)化。