劉義杰，王薪巖，錢 躍（沈陽工學(xué)院，遼寧撫順，113122）

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基于單片機的超聲波測距裝置設(shè)計

劉義杰，王薪巖，錢 躍
（沈陽工學(xué)院，遼寧撫順，113122）

摘要：本文論述了基于單片機的超聲波測距裝置設(shè)計方案及實現(xiàn)過程。本裝置采用單片機作為控制器的核心進行控制。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，超聲波發(fā)送模塊向后發(fā)射40kHz的超聲波信號，遇障礙物反射，由超聲波接收模塊收集，進行放大和比較，同時將此信號送入顯示模塊，當(dāng)與障礙物距離小于設(shè)定距離時，發(fā)出報警聲。

關(guān)鍵詞：超聲波測距；單片機；報警

超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器，在本裝置中使用脈沖反射式超聲波傳感器。超聲波測距是通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時。超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為C，而根據(jù)計時器記錄的測出發(fā)射和接收回波的時間差就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離L。

本裝置采用的超聲波是40kHz。超聲波的縱向分辨率較高，對色彩和光照度不敏感，對外界光線和電磁場不敏感，可以用于測量較近目標(biāo)的距離。本裝置采用的超聲波傳感器往返距離為15m，在有灰塵、煙霧、強磁場干擾、有毒等各種環(huán)境下都能穩(wěn)定工作。

構(gòu)成超聲測距系統(tǒng)的電路功能模塊包括發(fā)射電路、接收電路、顯示電路、核心功能模塊、單片機控制器及一些輔助電路。低頻信號發(fā)生器中采用了AT89S51作為控制核心器件在系統(tǒng)設(shè)計中起著主要作用。

圖1 測距的電路原理框圖

采取收發(fā)分離方式有兩個好處：一是收發(fā)信號不會混疊，接收探頭所接收到的純?yōu)榉瓷湫盘?；二是將接收探頭放置在合適位置，可以避免超聲波在物體表面反射時造成的各種損失和干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。

根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，選擇了超聲波測距，最大探測距離為4m，最小探測距離0.2m，發(fā)射擴散角為60°。同時，采用單片機作為主控制器，實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器完成，超聲波測距器的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

通過單片機的I/O口控制超聲波發(fā)射電路發(fā)出40kHz的超聲波，與此同時單片機內(nèi)計數(shù)器開始計時；經(jīng)過延遲后開啟超聲波接收電路，當(dāng)接收電路收到經(jīng)障礙物反射的回波后，計數(shù)器計時結(jié)束。通過單片機計算出即時距離，在顯示電路顯示出來，若低于設(shè)定距離則開啟報警。

測量過程是由單片機部分和超聲波信號處理電路共同完成的，一次測量的全過程為40ms。發(fā)射時，將40kHz的超聲波信號和一個同步脈沖信號加到與門，同步脈沖信號通過與門控制發(fā)射超聲波。單片機將同步脈沖的起始時刻定為， 超聲波接收電路將接收到的信號加到單片機中，若檢測到信號，則記下該時刻，由時間差，即可算得障礙物與超聲探頭之間的距離。若單片機系統(tǒng)接收不到超聲波回波信號，則到40ms時重復(fù)上述過程開始下一輪的循環(huán)。

在超聲波發(fā)出后，如果直接進入檢測狀態(tài)，則勢必浪費時間，因為此系統(tǒng)有最小測量距離，當(dāng)距離最小時，即為時間差最小，記為，所以此時間可以用來處理別的數(shù)據(jù)。本設(shè)計中計算子程序就是在此時間里完成的，這樣就節(jié)省了一些時間。

超聲波測距裝置的工作流程如下：首先開啟電源，直接進行測距，數(shù)值顯示在數(shù)碼管上，數(shù)碼管上的數(shù)字是以厘米為單位的，在此過程中，單片機的初始化和定時中斷子程序都隨之進行，通過超聲波發(fā)射器將電路產(chǎn)生的超聲波由發(fā)射端發(fā)出，遇障礙物反射回接收極，信號通過電路整合成電信號反饋回單片機，再由單片機發(fā)出指令顯示在數(shù)碼管上，外部中斷子程序，如在4m之內(nèi)沒有遇到障礙物，接收極不回受到反饋信號，沒有回波，無顯示。主程序及中斷服務(wù)程序流程圖如圖2所示。

定時器中斷程序其目的是控制系統(tǒng)發(fā)射超聲波，過程為先將定時器初始化，然后開始發(fā)射超聲波如果三個方向均發(fā)生完超聲波后則停止發(fā)射，否則停止發(fā)射。啟動計時器開始計時，接受到一個40kHz的方波信號，超聲波發(fā)送完畢，進入延時，避開發(fā)射的直達聲波信號 ，開啟接收回波中斷，收到回波時進入，關(guān)計數(shù)器，將計數(shù)值移入處理單元，接收成功標(biāo)志，發(fā)射停止，進入下一個循環(huán)。

利用單片機設(shè)計的超聲波測距裝置便于操作、讀數(shù)直觀。經(jīng)實際測試證明，該類測距裝置工作穩(wěn)定，能滿足一般近距離測距的要求，且成本較低、有較高的性價比。本超聲波測距裝置可應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長度的測量等場合，設(shè)計實用性極強。但應(yīng)用在現(xiàn)實中應(yīng)用會存在一些問題，可以根據(jù)具體情況加以改進。

圖2 主程序及中斷服務(wù)程序流程圖

參考文獻

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Ultrasonic distance measurement device based on SCM

Liu Yijie，Wang Xinyan，Qian Yue
（Shenyang Institute of Technology，F(xiàn)ushun Liaoning，113122）

Abstract：This article elaborates design proposal and the development of Ultrasonic distance measurement device based on SCM.This design uses the SCM as controller's core to carry on the control.When system automatic start，the ultrasonic wave transmission module launches 40kHz the ultrasonic wave signal backward，it meets the obstacle reflection and carries on the enlargement and the comparison by the supersonic reception module collection， the microcomputer sends this signal into the display module，simultaneously triggers the sound alarm circuit，sends out the sound prompt.When it is smaller than with the obstacle distance 0.8m，exudes the different warning sound，reminds the driver to stop.

Keywords：Ultrasonic distance measurement；Singal-chip microcomputer；Alarm