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

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

中图分类号： TN912.203.1?34； TP273.5 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）15?0012?03

Design and implementation of ultrasonic range?finding system based on

single chip microcomputer

LEI Wenli， REN Xincheng， SHAO Tingting

（College of Physics and Electronic Information， Yanan University， Yanan 716000， China）

Abstract： With the rapid development of computer technology， it leads to chip prices reduction increasingly and reliability promotion steadily. It′s an urgent demand to provide convenience for people′s life and industrial production by using intelligent technology services. As a convenient wireless range?finding means， ultrasonic range?finding avoids the range?finding staff′s contact with dangerous environment effectively， and can better realize the demand of wireless range?finding. A portable range?finding system which can measure in real?time was design. The system can measure barrier in real?time， and has the advantages of simple operation and high reliability.

Keywords： ultrasonic； STC89C52； wireless range?finding； real?time performance

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。

图1 超声波的测距原理

[H=Scosθ] （1）

[θ=arctanLH] （2）

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：

[2S=vt] （3）

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：

[H=12vtcosarctanLH] （4）

当需要测量的距离[H?L]时，则式（4）变为：

[H=12vt] （5）

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。

图2 系统组成图

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2～400 cm的非接触测距功能，精度可达3 mm，模块采用I/O口TRIG触发测距，可自动发送8个40 kHz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5 V，TRIG为触发控制信号输入，ECHO为回响信号输出线。

图4 超声波模块实物图

本文设计采用定时器0进行时间测量，设置TCNTT0为预设值0XCE，8分频，当定时器0溢出中断发生2 500次时为125 ms，计算公式如下（单位：ms）：

[T=（定时器0溢出次数×（0XFF?0XCE））1 000]

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。

图5 LCD1602显示电路

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。

图6 声音报警电路图 图7 复位电路图

电源部分的设计采用3节5号干电池4.5 V供电。

2.2 软件设计

系统主程序工作流程如图8所示。

图8 主程序工作流程图

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，2006（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，2004.

[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，2003（6）：49?51.

[5] 李全利.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[6] 薛均义，张彦斌.MCS?51系列单片微型计算机及其应用[M].西安：西安交通大学出版社，2005.