基于STC—IAP15F2K60S2的超聲測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉坤香 張海峰

摘要：由于超聲波檢測(cè)具有迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，在此介紹一種基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)。采用STC-IAP15F2K60S2單片機(jī)作為控制核心，數(shù)碼管作為顯示器件，在Keil uVision 4開(kāi)發(fā)環(huán)境中運(yùn)用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，通過(guò)STC單片機(jī)下載器stc-isp-15xx-v6.86H載入到開(kāi)發(fā)板中進(jìn)行測(cè)試。本文分別介紹了超聲測(cè)距系統(tǒng)的部分硬件和軟件設(shè)計(jì)，給出部分功能實(shí)現(xiàn)代碼。

關(guān)鍵詞：超聲測(cè)距；STC-IAP15F2K60S2；超聲波傳感器；

0 引言

隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，各種新型的測(cè)量方法應(yīng)運(yùn)而生，其中應(yīng)用相對(duì)廣泛的有紅外測(cè)距、激光測(cè)距以及超聲波測(cè)距。紅外測(cè)距的可實(shí)施性強(qiáng)，但其方向性差；激光測(cè)距的方向性，但其操作危險(xiǎn)，制作難度大、成本高，且受灰塵影響較大；而超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。目前的主要應(yīng)用有機(jī)器人避障、物體測(cè)距、液位檢測(cè)、公共安防，停車場(chǎng)檢測(cè)等。

1.基本工作原理

當(dāng)超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波時(shí)，單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器啟動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波在空氣中的傳播收到障礙物阻礙返回后，待超聲波接收器收到反射波時(shí)單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器立即停止計(jì)時(shí)。假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離（s），即：s=340t/2。

超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。

利用DS18B20等溫度傳感器可針對(duì)不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度的差異進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以提高測(cè)量精度，在此不做詳細(xì)介紹。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)的超聲測(cè)距系統(tǒng)是基于STC-IAP15F2K60S2單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括主控制電路模塊，數(shù)碼管顯示模塊，超聲波HC-SR04傳感器模塊等。

圖1 超聲測(cè)距系統(tǒng)框圖

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 STC-IAP15F2K60S2

STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（IT）的單片機(jī)，是高速/高可靠/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，采用第八代加密技術(shù)，加密性超強(qiáng)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘，±1%溫飄，常溫下溫飄5%，5MHz—35MHz寬范圍可設(shè)置，可徹底省掉外部昂貴的晶振和外部復(fù)位電路（內(nèi)部已集成高可靠復(fù)位電路，8級(jí)可選復(fù)位門(mén)檻電壓）。

3.2 HC-SR04

一個(gè)控制口發(fā)一個(gè)10us以上的高電平（本設(shè)計(jì)中為13us），在接收口等待高電平輸出，一有輸出就可以開(kāi)定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值，此時(shí)定時(shí)器的值就為此次測(cè)距的時(shí)間，利用公式可算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。

基本工作原理：

（1）采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)；

（2）模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；

（3）有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340M/S））/2。

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 超聲波發(fā)射（部分代碼）

sbit TX=P1^0；

sbit RX=P1^0；

void Delay13us（）//延時(shí)函數(shù)，13微妙

{

unsigned char i；

_nop-（）；

_nop-（）；

i=33；

while（--i）；

}

void chaosheng_start（）//超聲波發(fā)射函數(shù)

{

unsigned char i；

for（i=0；i<8；i++）

{

TX=0；

Delay13us（）；

TX=1；

Delay13us（）；

}

}

4.2 超聲波接受（部分代碼）

float get_distance（）//超聲波接收函數(shù)

{

int time；

float dis；

TH1=0；

TL1=0；

chaosheng_start（）；

TR1=1；

while（RX）；

TR1=0；

time=TH1；

time<<8；

time|=TL1；

dis=time*0.017；

return dis；

}

5、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于STC-IAP15F2K60S2單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，測(cè)距精確，唯一的缺陷是在誤差處理方面，例如溫度引起的超聲波傳播速度的變化，可采用DS18B20溫度補(bǔ)償，對(duì)于精度要求不高的場(chǎng)合可采用此設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可操作性強(qiáng)，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)更多更高級(jí)的功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜新法.基于單片機(jī)控制的超聲測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì).中原工學(xué)院報(bào)：2017年6月第28卷第3期.

[2]https：//baike.so.com