基于单片机控制的超声测距系统的设计与实现

摘要在工业生产朝着自动化发展、智能设备的普及以及需要对复杂环境进行监测的一些领域当中，对于非接触式测距技术的需求正在提高，然而现有的超声波测距系统，在精度表现、低功耗集成化等方面存在着局限性，这使得现有的系统很难契合在不同场景下对于深度应用的需求。设计一种有高精度、低成本以及适应性强等特点的单片机超声测距系统，对于提升动态测量的效率以及智能化水平有着关键的意义。首先是以STC89C52单片机作为核心控制器，构建起基于超声波发射以及接收模块的测距架构，利用声波反射的原理来计算发射与接收之间的时间差，经过单片机进行运算得到目标的距离。其次引进了可实时测量环境温度并且可以动态修正超声波传播速度的DS18B20温度补偿模块，有效地提高了在复杂环境下的测量精度，同时还集成了液晶显示模块以及蜂鸣器报警模块，实现了距离数据可实时显示以及超限报警的功能。最后依靠优化单片机的控制逻辑以及硬件电路的布局，保证系统在自动测距模式之下可稳定地运行，同时兼顾低成本的特性以及微型化设计的需求。实验数据显示，所设计的超声波测距系统可在0.2-4m的测量区间之内稳定地获取数据，经过温度补偿之后测距精度的相对误差可控制在1%至2%，并且还有测量高效、操作便捷、经济实用等特点，可有效地契合短距动态测距的需求。关键词：STC89C52单片机；液晶显示；报警；测距AbstractWiththeadvancementofindustrialautomation,thewidespreadadoptionofsmartdevices,andtheneedformonitoringcomplexenvironments,thedemandfornon-contactdistancemeasurementtechnologyisincreasing.However,existingultrasonicrangingsystemsfacelimitationsintermsofaccuracyandlow-powerintegration,makingitdifficultforcurrentsolutionstomeettherequirementsofadvancedapplicationsacrossdifferentscenarios.Designingamicrocontroller-basedultrasonicrangingsystemwithhighprecision,lowcost,andstrongadaptabilityisofcriticalsignificanceforimprovingdynamicmeasurementefficiencyandenhancingintelligentcapabilities.ThesystemfirstemploystheSTC89C52microcontrollerasthecorecontrollertoconstructadistancemeasurementframeworkbasedonultrasonictransmissionandreceptionmodules.Byutilizingtheprincipleofsoundwavereflection,thetimedifferencebetweentransmissionandreceptioniscalculated,andthetargetdistanceisderivedthroughmicrocontrollercomputation.Secondly,aDS18B20temperaturecompensationmoduleisintroducedtomeasureambienttemperatureinrealtimeanddynamicallyadjustthepropagationspeedofultrasonicwaves,effectivelyenhancingmeasurementaccuracyincomplexenvironments.Additionally,anLCDdisplaymoduleandabuzzeralarmmoduleareintegratedtoenablereal-timedistancedatavisualizationandover-limitalerts.Finally,byoptimizingthemicrocontroller'scontrollogicandthelayoutofthehardwarecircuit,thesystemensuresstableoperationinautomaticdistancemeasurementmodewhilemaintaininglow-costcharacteristicsandmeetingminiaturizationdesignrequirements.Experimentaldatademonstratethatthedesignedultrasonicdistancemeasurementsystemcanstablyacquiredatawithinameasurementrangeof0.2to4meters.Aftertemperaturecompensation,therelativeerrorofdistancemeasurementaccuracycanbecontrolledwithin1%to2%.Moreover,thesystemfeatureshighmeasurementefficiency,user-friendlyoperation,andcost-effectiveness,makingitwell-suitedforshort-rangedynamicdistancemeasurementneeds.Keywords:STC89C52microcontroller;LCDdisplay;alarm;ranging图4-3所示。开始开始结束超出预设值蜂鸣器报警NY图4-SEQ图4-\*ARABIC3报警子流程图该子程序将P1.0引脚定义为蜂鸣器驱动端口，主程序中通过全局变量Distance（超声波测距值）与预设阈值Max/Min实时比较，当Distance>Max或Distance<Min时调用Feng_Start()启动蜂鸣器持续报警，直至距离恢复正常后调用Feng_Stop()终止。4.4按键子程序按键子程序主要用来调节有效距离。按下功能键，可以调整距离上限；再按一次功能键，就能调整距离下限；只要再次操作功能键，就能退出当前的调节模式。按键子程序流程图如REF_Ref2321\h图4-4所示。Y按下按键开始Y按下按键开始设置上限按下按键设置下限按下按键结束NYYNN图4-SEQ图4-\*ARABIC4按键子流程图P1.1-P1.3分别配置为模式切换K1、阈值增加K2和阈值减少K3。状态切换机制通过K1按键触发，每执行一次按键动作，mode变量按0→1→2→0逻辑循环递增，分别对应正常测量模式、最大值设置模式、最小值设置模式。在阈值设置过程中，系统通过模式标志位（mode=1或mode=2）激活K2/K3按键功能：在mode=1时调整Max，mode=2时调整Min。5系统实物测试5.1功能测试5.1.1超声波测距功能测试按照设计的硬件电路及软件，完成实物调试后对系统测试，获取10组测试数据，对比测距结果与实际距离，相关数据见REF_Ref27452\h表5-1，该测距系统整体精度达到±3cm以内（1%~2%相对误差）。表5-SEQ表5-\*ARABIC1超声波测距测试结果实际距离(cm)410154580145200235355400测量距离(cm)4.110.415.345.380.9147.6201.5236.5357.5402.5绝对误差(cm)0.10.40.30.30.92.61.51.52.52.5相对误差(%)2.54.02.00.671.131.790.750.640.700.635.1.2按键控制功能测试确保系统通电稳定后，按顺序依次按下各功能按键。复位键可正常复位；模式切换按键能在支持主界面（温度/距离显示）与参数设置界面（最大/最小阈值设置）间顺畅切换；数值设置按键能精准增减最大、最小值设置，且输入数值与实际生效数值一致。每次按键操作后，系统均能即时响应，屏幕会随按键操作显示相应变化，设置的警报距离触发时蜂鸣提示正常，测距动作状态也正常，按键功能与系统功能紧密适配。5.1.3液晶显示功能测试液晶显示屏能正常显示温度及距离，设置的显示位置正确，显示字符也正确且清晰完整。异常状态提示：当测量数据无效或超限时，显示占位符“”以提示用户。(a)(b)图5-SEQ图5-\*ARABIC1液晶显示图5.1.4蜂鸣器报警功能测试开启测距系统，先将模拟障碍物置于安全距离外，确认系统正常运行且蜂鸣器无异常响动。之后，慢慢把障碍物往传感器方向移动，当测距值达到预设的下限值时，听到蜂鸣器即刻发出警报声且持续报警。再将障碍物拉远至超过系统测量的最大范围，再次检查蜂鸣器的反应。REF_Ref9986\h图5-2为万用表测量蜂鸣器两个引脚情况。将万用表调到通断档，用红、黑表笔分别接触蜂鸣器的两个引脚，当蜂鸣器正常且处于工作状态，万用表发出蜂鸣声且万用表上的指示灯亮，这说明电路是连通的。经多轮测试，蜂鸣器在所有预设触发条件下均能稳定做出反应，报警声清晰，符合系统设计要求。(a)(b)图5-SEQ图5-\*ARABIC2万用表测量蜂鸣器引脚情况5.2完整功能实物测试装置的主体机械构造包括一个超声波测距模块、一个显示屏、功能按键、电源接口和一个放置芯片等的基本板子。系统基于STC89C52单片机与HC-SR04超声波模块构建，核心功能为非接触式距离测量、实时数据显示及超限报警。检查超声波测距系统外观有无损坏，确认各部件连接牢固，超声测距模块与电路板连接正常、电源连接无误。接通电源，观察到系统能正常启动，液晶显示屏亮起并显示初始信息。让障碍物在一定范围内连续移动，观察到系统能马上、准确地更新距离数据，不存在数据卡顿、跳变等异常情况。确认温度、距离等信息在显示屏上的显示位置符合设计要求。综合各项功能测试结果，测距精度在允许误差范围内、量程测试响应正常、各功能显示准确清晰、按键操作响应及时且功能正常、蜂鸣器报警可靠，超声波测距系统完整功能实物测试通过，能满足实际使用需求。在设计调试的过程中，通过修改完善程序代码，换掉坏掉的零件，解决了遇到的问题。其中，焊接时出现的一个故障很有代表性。电路板焊接好通电后，LCD1602显示屏能正常显示，可温度数值一直是0。仔细检查了DS18B20周围的焊接情况，没有虚焊问题。为了找到原因，更换了一个DS18B20，结果温度显示还是不对。后来重新查看资料，看到DS18B20的管脚图，怀疑是安装方向弄反了。于是把DS18B20翻转过来，再测试时，温度就能正常显示了，故障也就排除了。图5-SEQ图5-\*ARABIC3系统装置实物图

128936总结与展望28376.1总结对超声波测距技术相关文献展开了研究，结合国内外该技术的发展状况以及实际使用时的需求，设计并达成了基于单片机的超声波测距系统，此系统借助模块化设计达成了高精度测距、温度补偿、实时显示以及报警等功能，以下是具体的总结内容：在硬件选型工作当中，将STC89C52单片机作为核心控制单元，由其来负责协调各个模块一同开展工作，对于测距模块而言，选用了HC-SR04超声波传感器，该传感器有非接触式测量特性以及高响应速度，可契合系统提出的需求，为使测量结果更为精确，添加了DS18B20数字温度传感器，借助实时环境温度对声速值进行补偿，以此减少温度给声速造成的影响。在人机交互模块之中，运用1602LCD液晶显示屏对距离、温度以及报警状态进行实时显示，借助独立按键来设计模式切换与参数设置功能，蜂鸣器模块可在检测距离低于安全阈值的情况下触发报警。于软件设计而言，运用模块化编程架构，把功能划分作主程序、显示数据子程序、报警子程序以及按键子程序，不过程序设计之中存在一些不够完善之处，需持续更新并思考改进办法。经实物功能测试，各硬件模块协同工作稳定，整体系统运行正常，主要功能均达到设计目标。以下为系统功能实现概述：系统默认启动自动测距模式，通过HC-SR04超声波传感器发射40kHz脉冲信号，接收回波后计算时间差，结合DS18B20温度传感器实时补偿声速，最终按公式S=vt/2计算距离，精度达±3cm，测距范围覆盖0.02m-4m。并在液晶上显示。用户可通过按键切换正常测量模式与阈值设置模式（最大/最小值），LCD实时显示设置参数。阈值超限时，蜂鸣器触发报警。该系统通过软硬件协同设计，实现了高精度、高稳定性的超声波测距功能，同时结合了温度补偿和报警机制。所以，能够在智能避障、工业检测等很多领域广泛使用。6.2展望随着智能技术不断发展，以单片机为基础构建的测距系统，在技术改良以及应用场景方面，将会呈现出更为良好的发展态势，当前设计已然取得了一定成效，然而仍有拓展的空间，尽管该系统于空旷区域的表现较为出色，但是在存在诸多障碍物的复杂环境之中，超声波回波极易受到干扰，这种干扰有可能致使测量误差增大，或者引发误报警的状况，故而需要加以优化处理。功能拓展乃是未来研究的一项关键方向，可增添蓝牙或者Wi-Fi模块，以此达成无线通信目的，契合不同场景下的使用需求，除此之外，将超声测距系统与其他传感器进行深度融合，可为智能机器人在复杂环境中导航以及智能家居精准感知环境，提供更为丰富的数据支撑，基于单片机的超声测距系统在未来，会于更多领域发挥关键作用，为人们的生产生活带来更多全新的变化。参考文献李戈,孟祥杰,王晓华,等.国内超声波测距研究应用现状[J].测绘科学,2011,36(04):60-62.杜新法,崔陆军,黄龙飞,等.基于单片机控制的超声测距系统设计[J].中原工学院学报,2017,28(03):7-9+13.张柳.铁路罐车超声波高精度液位测量系统的研究与设计[D].长沙：长沙理工大学,2013.林志盛,熊柳,邓曦平,等.倒车雷达预警系统的设计和实现[J].实验科学与技术,2013,11(03):176-179.RabinerLR,GoldB.TheoryandApplicationofDigitalSignalProcessing[M].Prentice-Hall,1975.ChenY,etal.PhaseDifferenceMeasurementforUltrasonicRanginginIndustrialNoiseEnvironments[J].Sensors,2016,16(12):2143.Bosch.UltrasonicSensorFusionforAutomatedParking[C].Warrendale,PA: