基于单片机的超声波测距系统的设计与实现.doc

基于单片机的超声波测距系统的设计与实现 雷文礼，任新成，邵婷婷 （延安大学物理与电子信息学院，陕西延安716000） 摘要：随着计算机技术的飞速发展，芯片价格日益降低，可靠性稳步提升，用智能技术为人们的生产和生活提供便利成为一种迫切的需求。超声波测距作为一种便捷的无线测距手段，有效避免了测距人员与危险环境的接触，可以很好地满足无线测距的现实需求。这里设计一种可以实时测量的便捷式测距系统，该系统可对障碍物实时测量，具有操作简单，可靠性高的特点。 关键词：超声波；stc89c52；无线测距；实时性 ：TN912.203.1?34；TP273.5：A：1004?373X（xx）15?0012?03 ：xx?02?05 基金项目：延安市科学技术研究发展计划项目（xxKG?04）；陕西省教育厅科研计划项目资助（14JK1829）；陕西省科学技术研究发展计划项目（工业攻关）（xxK05?61）；国家自然科学基金（61379026） 在人们的日常生活和工业生产现场中，经常会碰到一些需要非接触测距的场合，如带腐蚀的液体，强电磁干扰，有毒等恶劣条件下，测量距离存在不可克服的缺陷。超声波测距作为一种便捷的无线测距手段，有效避免了测距人员与危险环境的接触，可以很好地满足无线测距的现实需求，获得了广泛的应用1。本文设计一种可以实时测量的便捷式测距系统，该系统可对障碍物实时测量，具有操作简单，可靠性高的特点。 1超声波测距原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，同时开始计时2，当超声波接收器收到超声碰到障碍物后的反射波时，立即停止计时，记录时间t。根据超声波在空气中的传播速度和计时器记录的时间t，用速度距离公式，可以计算出发射点距障碍物的距离S，即：S=340t2。 在测距时，当传播介质温度变化不大时，近似认为超声波速度在传播的过程中是不变的，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离，如图1所示。 式中L表示两探头之间中心距离的一半。 超声波的传播距离为： 式中：v为超声波的传播速度；t为从发射到接收所用的时间。 将式（2），式（3）代入式（1）中，得： 当需要测量的距离H?L时，则式（4）变为： 所以，这里需要精确测量出超声波传播的时间t，就可以根据上述公式，计算出需要测量的距离H。 2系统设计 本系统按模块划分为测距模块、控制模块、显示模块、报警模块3，如图2所示。电路结构可划分为超声波传感器电路、报警电路、单片机控制电路。就此设计的核心模块来说，单片机就是该设计的中心单元。系统采用STC89C52单片机作为核心控制单元，当测得的距离小于设定距离时，主控芯片将测得的数值与设定值进行比较处理，然后控制蜂鸣器报警4。 2.1硬件电路设计 硬件电路总设计如图3所示，该设计中要用到如下器件：STC89C52、超声波传感器、按键、四位数码管、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路5。其中，D1为电源工作指示灯，电路中用到3个按键，一个是设定键，一个加键，一个减键。 超声波模块采用HC?SR04超声波模块，该模块包括超声波发射器、接收器与控制电路，具有2400cm的非接触测距功能，精度可达3mm，模块采用I/O口TRIG触发测距，可自动发送8个40kHz的方波，并检测是否有信号返回。若有信号返回，则通过I/O口ECHO输出一个高电平，该高电平的持续时间即为超声波从发射到返回6的时间t。 测试距离=(高电平时间340)2 超声波模块如图4所示，供电电压VCC为5V，TRIG为触发控制信号输入，ECHO为回响信号输出线。 本文设计采用定时器0进行时间测量，设置TTT0为预设值0XCE，8分频，当定时器0溢出中断发生2500次时为125ms，计算公式如下（单位：ms）： T=(定时器0溢出次数(0XFF?0XCE)/1000 式中定时器0初值计算依据分频不同而有差异。显示模块采用LCD1602字符型液晶显示电路，显示接口电路如图5所示。 声音报警电路采用三极管、电阻和一个扬声器连接到主控制器的P13引脚上，构成一个声音报警电路，如图6所示。 本设计中复位电路采用在RESET端持续给出2个机器周期的高电平，复位电路如图7所示。 电源部分的设计采用3节5号干电池4.5V供电。 2.2软件设计 系统主程序工作流程如图8所示。 系统启动后，首先自动进行初始化，然后用测定距离和设定值进行比较，如果大于设定值则返回初始化，如果小于设定距离便启动报警器，然后进行距离比较，如果依然大于设定值便结束报警。 3结语 本文设计了一种基于单片机的超声波测距系统，并对系统的软硬件实现和电路连接图进行了详细描述，该系统能对中近距离障碍物进行实时测量，具有操作简单，可靠性高的特点。该系统可广泛应用于汽车倒车雷达等现实应用中，并为其他无线测距方案提供了借鉴。 参考文献 1吴政江.单片机控制红外线防盗报警器J.实用电子制作，xx（12）：26?28. 2宋文绪.传感器与检测技术M.北京：高等教育出版社，xx. 3余锡存.单片机原理及接口技术M.西安：西安电子科技大学出版社，2000. 4唐桃波，陈玉林.基于AT89C51的智能无线安防报警器J.电子设计应用，xx（6）：49?51. 5李全利.单片机原理及接口技术