楊道平，簡 巖

（遵義師范學(xué)院，貴州 遵義 563002）

基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計

楊道平，簡 巖

（遵義師范學(xué)院，貴州 遵義 563002）

文章以STC89C52單片機為核心，設(shè)計了一個利用超聲波測距的系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)、超聲波檢測模塊、電源模塊、蜂鳴器和LED模塊、按鍵模塊、顯示模塊等組成。特點是實現(xiàn)成本低，性價比高，能直接應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。

單片機；超聲波；測距

1　超聲波測距的原理

超聲波測距的3種方法：

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

因為超聲波也屬于聲波的范疇，它的速度v與空氣的濕度、壓強和溫度都有很大的關(guān)系。例如：當(dāng)溫度上升10攝氏度，則它的速度會增加6m/s。如果在使用時溫度變化不大，則可認為聲速v是基本不變的，計算時取v為340m/s。如果測距的精確度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過軟件改進算法的方法來加以校正。

2　系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

（1）測量范圍0.02m-4m。

（2）測量精度1cm。

（3）1602液晶顯示測量結(jié)果。

（4）可設(shè)置報警值，報警值可以斷電保存。（5）當(dāng)小于報警值時，進行聲光報警。

2.2系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)和超聲波檢測模塊、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，由電容電阻和晶振等幾個模塊構(gòu)成；超聲波檢測模塊主要采用器件HC-SR04，作為距離傳感器，進行距離的測量；顯示模塊采用1602液晶，負責(zé)顯示測量到的距離值；按鍵模塊能進行報警值的設(shè)置；當(dāng)測量值小于報警值時，蜂鳴器和LED報警裝置將進行聲光報警；電源采用5V的USB供電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.3單片機最小系統(tǒng)

單片機的最小系統(tǒng)由復(fù)位電路，晶振電路，電源3個部分來構(gòu)成，具體設(shè)計圖如圖2所示。

圖1　超聲波測距系統(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個引腳： VCC、TRIG、ECHO和GND。本設(shè)計中，把超聲波的ECHO引腳接到單片機的P23口，TRIG引腳接到單片機的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個腳是液晶工作的電源輸入腳。第5腳是液晶的讀寫控制腳，連接到單片機的P14腳上。第6腳是液晶的使能腳，連接到單片機的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蜂鳴器報警電路

蜂鳴器在工作的時候需要的電流很大，單片機的I0口不能直接驅(qū)動。因此考慮了增加一個三極管來輔助，其接到P20口，如果它輸出“0”蜂鳴器就會自動報警。

2.7按鍵輸入模塊

按鍵設(shè)計考慮了“設(shè)置”“加”“減”3個鍵，采用獨立鍵盤，分別連到單片機的P10，P11和P12。按鍵的連接圖如圖5所示。

圖5　按鍵設(shè)計示意

2.8軟件設(shè)計

軟件設(shè)計部分將超聲波探測的數(shù)據(jù)臨時存放在單片機內(nèi)，進行相應(yīng)處理和計算。在液晶初始化和內(nèi)容顯示初始化后，第一步是啟動超聲模塊，將測得的距離通過1602液晶顯示出來，然后判斷測得的距離是否小于設(shè)定值，如果小于，則進行聲光報警。第二步是對按鍵的掃描，判斷是否有按鍵被按下，若有，則進入報警值的設(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)計流程

3　結(jié)語

結(jié)合超聲波測距原理、利用單片機強大的運算能力和實時控制的功能，文章設(shè)計出了一款簡單實用的測距系統(tǒng)。設(shè)計中利用12MHz高精度的晶振，可以得到較穩(wěn)定的頻率，減小了測量時的誤差。

經(jīng)過測試，本系統(tǒng)工作相對穩(wěn)定，達到了各項設(shè)計指標(biāo)要求，能夠滿足一般近距離的應(yīng)用。

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

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

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

［4］陳大新，胡學(xué)同，周杏鵬.利用FPGA改進超聲波測距模塊設(shè)計［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：智能計算。