孫李生
摘要:在日常生活中,測量距離具有重要意義。在實際的生產過程中,采用超聲波測距的方法具有造價低、應用領域廣的明顯優(yōu)勢。對此,本文介紹了一種基于51單片機的超聲波測距設計, 該系統(tǒng)選用STC89C-51單片機作為處理芯片, 采用超聲波模塊HC-SR04進行距離測量。該系統(tǒng)具有結構簡單、成本低、操作方便、測量精度高等優(yōu)點。
關鍵詞:51單片機;超聲波;測距;溫度
一、緒論
距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個參數,測距成為數據采集中要解決的一個問題。而超聲波是一種頻率高于20kHz,波長較短, 在空氣中傳播過程中以縱波形式傳輸的機械波。由于超聲波的速度相對光速小的多,具有較好的方向性,其傳播時間比較容易檢測,并且易于定向發(fā)射,方向性好,強度好控制,因而人類采用仿真技能利用超聲波測距。
超聲波測距是一種利用超聲波特性、電子技術、光電開關相結合來實現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。因為它是非接觸式的,所以它就能夠在某些特定場合或環(huán)境比較惡劣的情況下使用。
二、超聲波電路原理
超聲波測距是借助于超聲波脈沖回波渡越世間法來實現(xiàn)的。設超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經歷的時間為t,在空氣中的傳播速度為c,則距離s可由以下公式求出:
s = c*t/2
本文采用的超聲波模塊是HC-SR04,當模塊的觸發(fā)信號發(fā)出10μs的高電平之后,模塊自動發(fā)出8個40Khz的方波,并自動檢測是否有信號返回;當有信號返回時,通過51單片機上的IO口輸出一個高電平,此時高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。該模塊的有效測量范圍為0.02~4 m, 能夠達到毫米級的測量精度。
三、超聲波測距系統(tǒng)的組成
本系統(tǒng)的主體框架包含以下幾個部分:
由STC89C51主控芯片、超聲波測距電路、顯示電路、復位電路、供電電路等幾部分組成,STC89C51單片機外接5 V直流電源,采用了12V轉5V的穩(wěn)壓電源。其中定時器0和1分別計時,一個對發(fā)射時間的計時,另外一個對接受高電平時間的計時;顯示部分為8位共陰數碼管組成,由兩個74HC573芯片控制,一個控制段選一個控制位選。
四、程序設計
軟件設計采用C語言編程,整體程序框圖如圖下所示。
一開始先是對系統(tǒng)進行初始化,設置定時器工作模式并開啟中斷。P1^1作為HC-SR04觸發(fā)信號的輸出,P1^2為HC-SR04響應信號的輸入。由HC-SR04的時序圖可知,P1^1需發(fā)出持續(xù)時間為10μs的高電平之后,模塊將自動循環(huán)發(fā)出8個40KHZ脈沖。在3秒內,當P1^2接受到高電平時,與此同時馬上開始計時器。記下此高電平持續(xù)的時間,由距離=高電平時間*聲速(340m/s)/2,得出距離并顯示在數碼管上。當在上一次發(fā)出觸發(fā)信號之后3秒還沒接到響應信號,重新發(fā)出觸發(fā)信號。
五、誤差分析與解決
由于超聲波本身作為一種傳播介質,在傳播的過程中會受到各種因素的影響,如:溫濕度、光照、傳播介質,還有硬件條件的影響,其精度一般只能達到0.1~0.01cm;為了進一步提高其精度,采用了進行溫度補償法。
由于空氣中的聲速與溫度的關系為:c=331.4*
對此我們提出的進一步改進措施是,在采用HC-SR04可以先采用DS1802b(溫度傳感器)測出空氣中的實際溫度,然后再用上面的公式代入以求得更精確值。
六、結語
本文研究了一種基于51單片機的超聲波測距設計,并提出了一種針對超聲波精度不高的溫度補償方法。該系統(tǒng)選STC89C51單片機作為處理芯片, 使用超聲波模塊HC-SR04對超聲波進行收發(fā)。根據超聲波在空氣中傳播所用時間等于模塊內部高點片持續(xù)的時間原理,計算出所要測量的距離。最終結果顯示, 該系統(tǒng)具有良好的測距精度。
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