【摘要】由于超聲波指向性強(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，如測(cè)距儀和物位測(cè)量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。STC89C52是STC系列單片機(jī)里應(yīng)用比較廣泛的一款，本文主要是利用STC89C52單片機(jī)、超聲波傳感器完成測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)的制作。

【關(guān)鍵詞】超聲波傳感器；STC89C5 2；測(cè)距儀

傳感器是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一，其中超聲波傳感器有著廣泛、普遍的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測(cè)距儀中的應(yīng)用越來越廣。超聲波測(cè)距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。利用單片機(jī)控制超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制。

本文所設(shè)計(jì)的測(cè)距儀包括硬件和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、按鍵控制、四位數(shù)碼管顯示、報(bào)警等子模塊。電路結(jié)構(gòu)可劃分為：超聲波傳感器、蜂鳴器、單片機(jī)控制電路。就此設(shè)計(jì)的核心模塊來說，單片機(jī)就是設(shè)計(jì)的中心單元，所以此系統(tǒng)也是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種應(yīng)用。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)也是有硬件和軟件組成。硬件包括單片機(jī)、輸入/輸出設(shè)備、以及外圍應(yīng)用電路等組成的系統(tǒng)，軟件是各種工作程序的總稱。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過程包括總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等幾個(gè)階段。系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為核心控制單元，當(dāng)測(cè)得的距離小于設(shè)定距離時(shí)，主控芯片將測(cè)得的數(shù)值與設(shè)定值進(jìn)行比較處理。然后控制蜂鳴器報(bào)警。圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖：

主控制模塊設(shè)計(jì)

STC89C52、超聲波傳感器、按鍵、四位數(shù)碼管、蜂鳴器等一些單片機(jī)外圍應(yīng)用電路。電路中用到3個(gè)按鍵，一個(gè)是設(shè)定鍵，一個(gè)加鍵，一個(gè)減鍵。

復(fù)位電路模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。89系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個(gè)高電平并維持2個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩周期）以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。

時(shí)鐘電路模塊設(shè)計(jì)

因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器周期含有6個(gè)狀態(tài)周期，而每個(gè)狀態(tài)周期為2個(gè)振蕩周期，所以一個(gè)機(jī)器周期共有12個(gè)振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個(gè)振蕩周期為1/12us，故而一個(gè)機(jī)器周期為1us。

聲音報(bào)警電路模塊設(shè)計(jì)

用一個(gè)Speaker和三極管、電阻接到單片機(jī)的P13引腳上，構(gòu)成聲音報(bào)警電路。

顯示模塊設(shè)計(jì)

數(shù)碼管使用的是4位共陽極數(shù)碼管，驅(qū)動(dòng)電路中三極管使用的是8550三極管。其中8550三極管可以和9012三極管通用，都為PNP型三極管。其中三極管是用來做驅(qū)動(dòng)的作用。

按鍵電路模塊設(shè)計(jì)

按鍵電路用來設(shè)置測(cè)距的安全距離有三個(gè)按鍵分別是進(jìn)入設(shè)定鍵，增加距離鍵，減少距離鍵。

超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)

超聲波模塊采用現(xiàn)成的HC-SR04超聲波模塊，該模塊可提2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到3mm。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。基本工作原理：采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)，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。有信號(hào)返回，通過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。

時(shí)序圖表明只需要提供一個(gè)10uS以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40KHz周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。建議測(cè)量周期為60ms以上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響。

誤差分析

要想判斷捕獲到的第一個(gè)回波確定準(zhǔn)確的接受時(shí)間，必須對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時(shí)間，會(huì)對(duì)超聲波測(cè)量精度產(chǎn)生影響。

超聲波在大氣中傳播的速度受介質(zhì)氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響。實(shí)際情況下，溫度每上升或者下降1度，聲速將增加或者減少 0.607m/s，這個(gè)影響對(duì)于較高精度的測(cè)量是相當(dāng)嚴(yán)重的。

結(jié)論

對(duì)所設(shè)計(jì)的硬件電路進(jìn)行測(cè)量、校準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)其測(cè)量范圍0.2cm～400cm內(nèi)的平面物體做了多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其最大誤差為3cm，顯示最小分辨率為0.01m，測(cè)量盲區(qū)小于0.15米，且重復(fù)性好。該系統(tǒng)通過以STC89C52單片機(jī)為工作處理器核心，超聲波傳感器，它是一種新穎的被動(dòng)式超聲波探測(cè)器件，能夠以非接觸測(cè)出前方物體距離，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)輸出。該報(bào)警器的最大特點(diǎn)就是使用戶能夠操作簡(jiǎn)單、易懂、靈活；且安裝方便、智能性高、誤報(bào)率低。

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作者簡(jiǎn)介

張野（1988—），男，遼寧朝陽人，沈陽理工大學(xué)碩士研究生，研究方向：圖像信息處理技術(shù)。

基金項(xiàng)目

遼寧省科學(xué)計(jì)劃計(jì)劃項(xiàng)目（2012217005）；遼寧省科學(xué)事業(yè)公益研究基金（2012004002）