楊道平，簡(jiǎn) 巖

（遵義師范學(xué)院，貴州 遵義 563002）

基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊道平，簡(jiǎn) 巖

（遵義師范學(xué)院，貴州 遵義 563002）

文章以STC89C52單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一個(gè)利用超聲波測(cè)距的系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波檢測(cè)模塊、電源模塊、蜂鳴器和LED模塊、按鍵模塊、顯示模塊等組成。特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)成本低，性價(jià)比高，能直接應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

單片機(jī)；超聲波；測(cè)距

1　超聲波測(cè)距的原理

超聲波測(cè)距的3種方法：

（1）相位檢測(cè)法：精度高，但是檢測(cè)范圍有一定的局限性；（2）聲波幅值檢測(cè)法：易受反射波的影響；（3）濃度時(shí)間法：簡(jiǎn)單方便，其功能很容易實(shí)現(xiàn)。該方法是從發(fā)射開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)聲波遇到障礙物時(shí)返回，得到時(shí)間t，這就是渡越時(shí)間，然后再根據(jù)公式計(jì)算出距離s。設(shè)測(cè)量距離為s，往返時(shí)間差為t，超聲波的速度為v，則有s=tv/2。

因?yàn)槌暡ㄒ矊儆诼暡ǖ姆懂牐乃俣葀與空氣的濕度、壓強(qiáng)和溫度都有很大的關(guān)系。例如：當(dāng)溫度上升10攝氏度，則它的速度會(huì)增加6m/s。如果在使用時(shí)溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速v是基本不變的，計(jì)算時(shí)取v為340m/s。如果測(cè)距的精確度要求很高，則可通過(guò)改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過(guò)軟件改進(jìn)算法的方法來(lái)加以校正。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）測(cè)量范圍0.02m-4m。

（2）測(cè)量精度1cm。

（3）1602液晶顯示測(cè)量結(jié)果。

（4）可設(shè)置報(bào)警值，報(bào)警值可以斷電保存。（5）當(dāng)小于報(bào)警值時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)和超聲波檢測(cè)模塊、按鍵模塊、電源模塊、顯示模塊、蜂鳴器和LED模塊等組成。系統(tǒng)的核心器件為STC89C52單片機(jī)，由電容電阻和晶振等幾個(gè)模塊構(gòu)成；超聲波檢測(cè)模塊主要采用器件HC-SR04，作為距離傳感器，進(jìn)行距離的測(cè)量；顯示模塊采用1602液晶，負(fù)責(zé)顯示測(cè)量到的距離值；按鍵模塊能進(jìn)行報(bào)警值的設(shè)置；當(dāng)測(cè)量值小于報(bào)警值時(shí)，蜂鳴器和LED報(bào)警裝置將進(jìn)行聲光報(bào)警；電源采用5V的USB供電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.3單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)的最小系統(tǒng)由復(fù)位電路，晶振電路，電源3個(gè)部分來(lái)構(gòu)成，具體設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖1　超聲波測(cè)距系統(tǒng)示意

圖2　STC89C52最小系統(tǒng)

2.4超聲波模塊

聲波模塊一共引出4個(gè)引腳： VCC、TRIG、ECHO和GND。本設(shè)計(jì)中，把超聲波的ECHO引腳接到單片機(jī)的P23口，TRIG引腳接到單片機(jī)的P22，如圖3所示。

圖3　 HC-SR04模塊引腳

2.5液晶顯示模塊

液晶模塊的電路的連接圖如圖4。第1腳和第2腳分別連接電路的GND和VCC，這2個(gè)腳是液晶工作的電源輸入腳。第5腳是液晶的讀寫(xiě)控制腳，連接到單片機(jī)的P14腳上。第6腳是液晶的使能腳，連接到單片機(jī)的P15腳上。第7腳到第14腳是液晶的數(shù)據(jù)/地址8位總線，連接到單片機(jī)的P0口上。最后第15腳和第16腳是液晶的背光電源腳，直接連接系統(tǒng)VCC和GND。

圖4　液晶模塊電路連接

2.6蜂鳴器報(bào)警電路

蜂鳴器在工作的時(shí)候需要的電流很大，單片機(jī)的I0口不能直接驅(qū)動(dòng)。因此考慮了增加一個(gè)三極管來(lái)輔助，其接到P20口，如果它輸出“0”蜂鳴器就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

2.7按鍵輸入模塊

按鍵設(shè)計(jì)考慮了“設(shè)置”“加”“減”3個(gè)鍵，采用獨(dú)立鍵盤(pán)，分別連到單片機(jī)的P10，P11和P12。按鍵的連接圖如圖5所示。

圖5　按鍵設(shè)計(jì)示意

2.8軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分將超聲波探測(cè)的數(shù)據(jù)臨時(shí)存放在單片機(jī)內(nèi)，進(jìn)行相應(yīng)處理和計(jì)算。在液晶初始化和內(nèi)容顯示初始化后，第一步是啟動(dòng)超聲模塊，將測(cè)得的距離通過(guò)1602液晶顯示出來(lái)，然后判斷測(cè)得的距離是否小于設(shè)定值，如果小于，則進(jìn)行聲光報(bào)警。第二步是對(duì)按鍵的掃描，判斷是否有按鍵被按下，若有，則進(jìn)入報(bào)警值的設(shè)置操作。本系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6所示。

圖6　程序設(shè)計(jì)流程

3　結(jié)語(yǔ)

結(jié)合超聲波測(cè)距原理、利用單片機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力和實(shí)時(shí)控制的功能，文章設(shè)計(jì)出了一款簡(jiǎn)單實(shí)用的測(cè)距系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中利用12MHz高精度的晶振，可以得到較穩(wěn)定的頻率，減小了測(cè)量時(shí)的誤差。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，本系統(tǒng)工作相對(duì)穩(wěn)定，達(dá)到了各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，能夠滿足一般近距離的應(yīng)用。

［1］張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.南京：高等教育出版社，2010 .

［2］李麗霞.單片機(jī)在超聲波測(cè)距中的應(yīng)用［J］.東北電力學(xué)院學(xué)報(bào)，1996（4）：50-53.

［3］張鵬，張有志.一種新型超生測(cè)距系統(tǒng)［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（1）：18-21.

［4］陳大新，胡學(xué)同，周杏鵬.利用FPGA改進(jìn)超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)［J］.傳感器技術(shù)，2005（2）：57-59.

Design of Ultrasonic Distance Measurement System Based on Single Chip Microcomputer

Yang Daoping，Jian Yan
（Zunyi Normal College，Zunyi 563002，China）

With STC89C52 single-chip microcomputer as the core，a use of ultrasonic ranging system is designed. System is mainly composed of single chip microcomputer minimum system，ultrasonic detection module，power supply module，buzzer and LED module，keys module， display module，etc. Characteristic is to realize the low cost，high cost performance，can be directly applied in production practice.

single chip microcomputer； ultrasonic wave； distance measurement

楊道平（1973-），男，貴州遵義，碩士，副教授；研究方向：智能計(jì)算。