基于STC89C52RC的超声波测距系统设计

李航，王可人

(解放军电子工程学院 304实验室，安徽 合肥 230037)

0 引言

超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而经常被用于距离的测量。超声波测距是一种非接触式的检测方式。与其他方法相比，如电磁或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度液较其他方法为高。而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点，检测比较迅速、方便，计算简单，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。

1 超声波测距及系统工作原理

1.1 超声波测距原理

超声波是高于听觉频率阈值的机械波，其频率在104Hz～1012Hz之间。超声波具有直线传播特性，频率越高，反射能力越强，而绕射能力越弱，表现出更强的方向性。利用超声波的这种特性，采用时间差值检测法（常称渡越时间检测法）进行距离的测量。其测距原理是超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时。超声波在空气中传播，碰到障碍物反射回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时，根据计时器记录的时间，就可以计算出发射点距障碍物的距离。系统根据时间延迟计算出距离，计算公式为：

声波在空气中传输速率的近似表达式为：

式中：T表示介质的温度（℃）；S表示探测距离；V表示超声波的传播速度，其值受到温度和介质的影响；t表示从发送超声波到反射回波的时间间隔。

1.2 系统工作原理

该系统的核心部件为超声波传感器和STC89C52RC单片机。系统采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时间频率，减少测量误差。STC89C52RC用P1.0端口发出一个40kHz的方波信号驱动超声波发射器发射出一串超声波脉冲，同时启动单片机计时器计时测量超声波传播的时间。当脉冲到达被测目标时，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。当接收到信号时，外部中断发出指令让计数器停止计数，这样就能够得到发射到接收的时间差△t。同时温度补偿电路也将采集到的现场环境温度送到单片机，提供计算距离时对超声波传播速度的修正。最终单片机利用公式（1）、（2）计算出被测距离，并在LED上显示出结果。

2 硬件设计

硬件主要包括STC89C52RC单片机最小系统，超声波发射电路和接收电路、温度检测电路、键盘电路和LED显示电路等部分。超声波测距系统的框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2.1 单片机最小系统设计

主控制器主要由单片机STC89C52RC、振荡器和复位电路3部分组成，它是单片机工作的必要组成部分，又称为单片机最小系统。它是测距系统的控制中枢，也是整个系统的核心部分。在测距系统中发挥4个作用：（1）实现人机对话；（2）控制超声波的发射；（3）处理超声波接收电路和补偿电路接收的信号;（4）时间转化成距离的数据处理。

2.2 超声波发射电路

发射电路由2个三极管、环形磁芯变压器、发射超声换能器组成，如图2所示。本系统的超声波传感器采用UCM40压电陶瓷传感器。P1.0端口产生40kHz的方波信号，接入发射电路的输入端。由于单片机端口产生的方波信号太弱，需放大该信号，同时利用射极跟随电路，以增强带负载能力。超声波传感器在放大信号的驱动下，发射超声波脉冲。

图2 超声波发射电路原理图

2.3 超声波接收电路

超声波接收电路通过超声波传感器接收回波信号并将其放大，之后将放大的信号整形为数字信号，作为中断信号送入STC89C52RC外中断器，使其产生中断。因此，该电路可分为放大部分和整形部分。具体电路如图3所示。3个LM324运算放大器组成三级回波信号放大电路，放大后的信号再经一个4011反相整形后，送给单片机外部中断P3.3端口。

图3 超声波接收电路原理图

2.4 温度检测电路

温度检测电路用来实时测量周围环境的温度，补偿传播速度变化对传播距离的影响。本系统采用温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围－55℃～+125℃，固有测温分辨率最大可达0.0625℃。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用3线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，

2.5 键盘和显示接口电路

本系统采用ZLG7290键盘及数码管专用驱动芯片。ZLG7290与单片机STC89C52RC采用I2C接口进行通信。ZLG7290可以驱动8位共阴数码管或者64个独立的LED以及64个按键。

3 系统软件设计

软件分为2部分：主程序和中断服务程序，流程图如图5所示。主程序完成初始化、超声波发射、接收控制和显示等工作。中断服务程序包括定时中断服务子程序和外部中断服务子程序，分别完成超声波的发射、距离计算及温度补偿等工作。

图5 程序流程图

4 测量数据

一般情况下，应测量几次数据取其平均值，目的是为减少由于测量过程中的系统抖动引起的误差。表1的数据都是在测距系统固定的情况下测量的。由于本设计没有考虑其他环境因素（如：气压、湿度……）的影响，只考虑了温度补偿的影响，所以在测量的时候给测量结果带来了一定的误差。由表1可见测量精度达到设计要求。

表1 测量数据（单位：mm）

5 结论

该系统由键盘控制，通过选择不同的按键来选择不同的功能。利用对超声波渡越时间的测量来实现距离的测量。因此，距离测量的精度就转化为时间测量的精度了。系统对该系统测量误差进行了分析，采用温度补偿的方法，使其测量更精确。选用了UCM40T/R压电陶瓷传感器，设计并制作完成了超声波测距系统的硬件部分，编写了相应的运行软件，进行了调试和试运行，结果还是令人满意的。

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