邵陽學院信息工程系 李 忠 許建明 申 穎 粟成發(fā) 曹勝果

隨著電子技術的發(fā)展，超聲波傳感器在測量方面有著廣泛和普遍的應用，特別在測距儀中的應用。采用超聲波傳感器進行距離測量能夠適應煙霧環(huán)境、黑暗環(huán)境、電磁干擾、有毒有害氣體空間等惡劣環(huán)境的場合，是一種非接觸式測距的測量方法，因而在液體流量和液位測量、倒車雷達、建筑施工等各種應用領域有較大的實用價值[1]。利用微控制器控制超聲波測量距離具有快捷方便、成本低廉、電路簡單、實時控制等特點，本設計就是采用單片機作為主控制器，利用超聲波測距原理實現(xiàn)數(shù)顯、快速、高精度的超聲波測距儀的設計。

1 測距原理

超聲波電路包括發(fā)射電路和接收電路，計時開始時發(fā)射電路向被測物發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中進行傳播[2]，途中遇到被測物體產生反射，接收器接收后立即停止計時。由于超聲波在空氣中傳播的速度是340m/s，單片機定時器記時為t，計算得到發(fā)射點到被測物體的距離(s)，即：s=340t/2。原理圖如圖1所示。

圖1 超聲波測距原理圖

2 硬件設計

超聲波測距儀系統(tǒng)主要包括：超聲波模塊、ISD4004語音模塊、存儲模塊、LCD顯示模塊和按鍵控制模塊四個部分，系統(tǒng)方框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件方框圖

2.1 超聲波模塊

由于目前市場上成型的超聲波測距模塊應用日益廣泛，性能穩(wěn)定且精度高，因此本設計采用KS103超聲波測距模塊代替超聲波發(fā)射與接收電路[3]。KS103超聲波模塊測較大平面物體量程可達10米，平均精度2mm，最高可達1mm，且?guī)囟妊a償功能，減小了測量誤差。

2.2 ISD4004語音模塊

ISD4004芯片工作電壓3V，單片錄放時間8至16分鐘，還可以在斷電情況下保存，非常適合于便攜式電子產品設計。因此語音模塊采用了ISD4004芯片。語音模塊電路如圖3所示。

2.3 存儲模塊

本系統(tǒng)采用AT24C02作為存儲電路[4]，因AT24C02的工作電壓范圍教寬，且具有接口方便、體積小、可靠性高、數(shù)據(jù)掉電不丟失等特點。所以采用AT24C02來存儲測量數(shù)據(jù)，通過按鍵可以調出之前30次的測量數(shù)據(jù)。

2.4 顯示與按鍵模塊

考慮到數(shù)碼管顯示過于簡單，而且顯示效果也不如LCD1602，為方便查看測量數(shù)據(jù)，故顯示模塊采用LCD1602。為使測距儀操作盡量簡單，按鍵控制模塊一共只設計了三個按鍵，其功能分別是：測量、上翻數(shù)據(jù)、下翻數(shù)據(jù)。

圖3 語音模塊電路

3 軟件設計

超聲波測距程序由主程序、超聲波發(fā)射和接收程序、距離計算程序以及LCD顯示程序組成。主程序對各模塊初始化，并給LCD1602發(fā)送開機顯示字符。三個按鍵分別連接到單片機的三個引腳，采用掃描的方式判斷三個按鍵（測距、記錄加和記錄減）是否某一個按鍵被按下，再調用相應的子程序進行處理；超聲波脈沖的發(fā)送由超聲波發(fā)送子程序實現(xiàn)，為避免超聲波從發(fā)射到接收出現(xiàn)直接波的觸發(fā)，增加一定的延時時間。從發(fā)出超聲波的時候開始計時，當接收到返回的超聲波時停止計時，最后根據(jù)時間計算出所測量的距離。本設計采用主頻為12MHz，1μs的機器周期，當成功接收的標志位被主程序檢測到之后，按式(1)可計算出測距儀與被測物體間的距離：

式(1)中計數(shù)器T0中的值為發(fā)送到接收的時間，C為速度，d為距離。計算出的距離結果以十進制BCD碼形式進行LCD顯示，接著進行重復測量。程序主流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4 實驗結果與實物

按以上步驟完成超聲波測距儀的設計后，對完成的實物進行實際的數(shù)據(jù)測量。測量結果如表1所示。

表1結果分析：在小于1cm時與大于450cm時誤差較大，在1cm-450cm區(qū)間內誤差在1mm以內，大于500cm無數(shù)據(jù)。

實物制作與測量數(shù)據(jù)如圖5所示。

表1 測試結果（環(huán)境溫度25°C）

圖5 實物測試圖

5 結束語

本設計利用STC89C51單片機設計的高精度超聲波語音測距儀，將測量的結果用LCD1602液晶直接顯示，通過ISD4004語音模塊對測量結果進行實時播報。超聲波測距模塊采用KS103，測距結果通過I2C總線協(xié)議輸出，這種通過電路模塊化的設計方式非常符合當今電子產品發(fā)明設計主流。本超聲波語音測距儀通過仿真和實物的雙重驗證，具有性能穩(wěn)定、測量精度高、操作簡單，且有非常好的推廣和應用價值。

[1]卜英勇,王紀嬋,趙海嗚等.基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器,2007(3):66-68.

[2]郁有文,常健,程繼紅.傳感器原理及工程應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2008.

[3]胡曉,巴力登.基于AT89C52的超聲波測距系統(tǒng)設計[J].工業(yè)控制計算機,2014,27(3):125-126.

[4]江世明,許建明,朱群峰,申壽云.單片機原理及應用[M].上海:上海交通大學出版社,2013.