王　怡

（電子科技大學成都學院微電子技術系，四川 成都 611731）

一種超聲波測距裝置的設計與實現(xiàn)

王怡

（電子科技大學成都學院微電子技術系，四川 成都 611731）

摘要：超聲波測距技術應用廣泛，可應用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控等。重點介紹了一種基于單片機的超聲波測距裝置的設計與實現(xiàn)。包括電路的基本組成及設計原理，超聲波測量模塊的接口特性及基本功能，軟件設計原理以及測量精度的控制等。

超聲波；測距；單片機；精度

1.總體架構

測距儀以基于51單片機的最小系統(tǒng)為核心，加上超聲波測距模塊，顯示模塊和通信模塊構成。顯示模塊由數(shù)碼管構成，可以實時顯示距離測量的結果。通信模塊以單片機自帶的通用異步串口為基礎，擴展一路RS232電平接口。通過這個接口，可以把測量結果上傳給其他設備，也可以接受來自網(wǎng)絡中主機的命令，按要求進行距離測量和結果上傳。

2.硬件電路設計原理

2.1 超聲波模塊的選擇和基本工作原理

超聲波模塊是實現(xiàn)距離測量的核心硬件部件。本次選用的超聲波測距模塊是HC-SR04。

該模塊接口簡單，只有4個引腳，分別是電源、地、觸發(fā)信號輸入，回響信號輸出。HC-SR04模塊可提供2cm～400cm的非接觸式距離感觸功能，測量精度可達3mm。工作原理如下：

（1）啟動測量：向觸發(fā)信號輸入引腳輸入一個至少持續(xù)10us的高電平信號，就能啟動模塊的測距；

（2）測量過程及輸出：模塊啟動測距后會發(fā)出8個40kHz的方波，并自動檢測是否有信號返回。一旦測到返回信號，就在回響信號輸出端輸出一個正脈沖，正脈沖持續(xù)時間就是超聲波信號發(fā)出到收到返回信號的時間間隔。因此，通過測量該正脈沖的寬度并進行正確地換算，就能得到相應的測量距離；

（3）結果換算：測量距離=（高電平持續(xù)時間×音速）/2。

2.2 超聲波模塊與單片機之間的互聯(lián)設計

超聲波模塊與單片機之間的互聯(lián)，最簡單的設計就是將單片機的任意兩根I/O口線與模塊的觸發(fā)信號輸入，回響信號輸出相連就可以了。但是，這種方式測量回波的寬度會存在一定的誤差。因此，如果想要精確地測量回波寬度，就要用到單片機定時器自帶的門控功能。硬件的互聯(lián)就會不同。此時，模塊的觸發(fā)信號輸入端仍然可以與單片機的一根普通用戶I/O口線連接。但模塊的回響信號則只能連接到單片機的外部中斷引腳INT0或INT1上，這樣才能使用定時器的門控功能，實現(xiàn)精確測量。

3.軟件設計原理

3.1 一般測量

如果測量精度要求不高，就可以使用查詢的方式來檢測回波信號的變化，并相應地控制定時器的計時，計時完成后，取出計數(shù)值，換算成時間，再將高電平的持續(xù)時間換算成距離即可。測量控制部分的關鍵代碼如下：

sbit Trig=P1^0；

sbit Echo=P1^1；

main（ ）

{

Trig=0； //觸發(fā)信號初態(tài)置為0

TMOD=0x01； //設置定時器0為工作方式1，內(nèi)部計數(shù)模式

TH0=0； //定時器0清零

TL0=0； //定時器0清零

Trig=1； //觸發(fā)信號置1，開始測量

delay_12us（）； //延時12us

while（Echo==0）； //等待有效的回波信號

TR0=1； //啟動定時器0

while（Echo==1）； //等待回波信號變低

TR0=0； //停止計數(shù)

........

}

上述測量控制過程完成后，就可以讀取TH0和TL0中的計數(shù)值，進行測量距離的計算了。

3.2 精確測量

在一般的測量方法中，監(jiān)測回波信號和啟動定時器都是通過軟件查詢來實現(xiàn)的。然而，由于軟件查詢和回波信號的產(chǎn)生是完全獨立的兩個操作，所以查詢必然滯后于回波信號的產(chǎn)生，從而帶來一定的測量誤差。而程序讀到有效的回波信號后，要先做判斷，然后再啟動定時器工作，這都需要時間?；夭ㄐ盘栕?yōu)闊o效，程序讀取狀態(tài)后再關閉定時器，也是類似的過程。因此，測量是有誤差的。

如果想測量更精確，就要使用硬件來控制定時器的啟動。即回波信號一變?yōu)橛行?，定時器立刻啟動，停止也一樣。要做到這一點，就要用到單片機定時器自帶的門控功能。單片機的TMOD寄存器中有一個門控位GATE。該位置為1，定時器的運行控制位TRx置為1，定時器的啟動和停止就可以由單片機的外部中斷引腳INT0或INT1控制了。因此，硬件互聯(lián)時，回響信號必須連接到單片機的外部中斷引腳INT0或INT1上。這樣就能做到定時器的計時與回響信號變化之間的同步了。軟件的設計也更簡化，控制部分的關鍵代碼如下：

sbit Trig=P1^0；

sbit Echo=P1^1；

main（ ）

{

Trig=0； //觸發(fā)信號初態(tài)置為0

TMOD=0x01； //設置定時器0為工作方式1，內(nèi)部計數(shù)模式

TH0=0； //定時器0清零

TL0=0； //定時器0清零

Trig=1； //觸發(fā)信號置1，開始測量

delay_12us（）； //延時12us

while（Echo==0）； //等待有效的回波信號

while（Echo==1）； //等待回波信號變低

........

}

上述測量控制過程完成后，就可以讀取TH0和TL0中的計數(shù)值，進行測量距離的計算。

這樣測量的結果就很準確了。

結語

本文介紹了一種基于51單片機超聲波測距模塊的設計。包括硬件設計原理，程序流程設計，測量精度控制等。該設計在實測中運作良好，穩(wěn)定，測試距離及精度符合設計要求。

[1]張瑾，張偉，張立寶. Protel99SE入門與提高[M].北京：人民郵電出版社，2010.

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