基于单片机的超声波测距装置设计

刘义杰，王薪岩，钱 跃（沈阳工学院，辽宁抚顺，113122）



基于单片机的超声波测距装置设计

刘义杰，王薪岩，钱 跃
（沈阳工学院，辽宁抚顺，113122）

摘要：本文论述了基于单片机的超声波测距装置设计方案及实现过程。本装置采用单片机作为控制器的核心进行控制。当系统启动时，超声波发送模块向后发射40kHz的超声波信号，遇障碍物反射，由超声波接收模块收集，进行放大和比较，同时将此信号送入显示模块，当与障碍物距离小于设定距离时，发出报警声。

关键词：超声波测距；单片机；报警

超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。为此，利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器，在本装置中使用脉冲反射式超声波传感器。超声波测距是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时。超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为C，而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差就可以计算出发射点距障碍物的距离L。

本装置采用的超声波是40kHz。超声波的纵向分辨率较高，对色彩和光照度不敏感，对外界光线和电磁场不敏感，可以用于测量较近目标的距离。本装置采用的超声波传感器往返距离为15m，在有灰尘、烟雾、强磁场干扰、有毒等各种环境下都能稳定工作。

构成超声测距系统的电路功能模块包括发射电路、接收电路、显示电路、核心功能模块、单片机控制器及一些辅助电路。低频信号发生器中采用了AT89S51作为控制核心器件在系统设计中起着主要作用。

图1 测距的电路原理框图

采取收发分离方式有两个好处：一是收发信号不会混叠，接收探头所接收到的纯为反射信号；二是将接收探头放置在合适位置，可以避免超声波在物体表面反射时造成的各种损失和干扰，提高系统的可靠性。

根据设计要求并综合各方面因素，选择了超声波测距，最大探测距离为4m，最小探测距离0.2m，发射扩散角为60°。同时，采用单片机作为主控制器，实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统原理框图如图1所示。

通过单片机的I/O口控制超声波发射电路发出40kHz的超声波，与此同时单片机内计数器开始计时；经过延迟后开启超声波接收电路，当接收电路收到经障碍物反射的回波后，计数器计时结束。通过单片机计算出即时距离，在显示电路显示出来，若低于设定距离则开启报警。

测量过程是由单片机部分和超声波信号处理电路共同完成的，一次测量的全过程为40ms。发射时，将40kHz的超声波信号和一个同步脉冲信号加到与门，同步脉冲信号通过与门控制发射超声波。单片机将同步脉冲的起始时刻定为， 超声波接收电路将接收到的信号加到单片机中，若检测到信号，则记下该时刻，由时间差，即可算得障碍物与超声探头之间的距离。若单片机系统接收不到超声波回波信号，则到40ms时重复上述过程开始下一轮的循环。

在超声波发出后，如果直接进入检测状态，则势必浪费时间，因为此系统有最小测量距离，当距离最小时，即为时间差最小，记为，所以此时间可以用来处理别的数据。本设计中计算子程序就是在此时间里完成的，这样就节省了一些时间。

超声波测距装置的工作流程如下：首先开启电源，直接进行测距，数值显示在数码管上，数码管上的数字是以厘米为单位的，在此过程中，单片机的初始化和定时中断子程序都随之进行，通过超声波发射器将电路产生的超声波由发射端发出，遇障碍物反射回接收极，信号通过电路整合成电信号反馈回单片机，再由单片机发出指令显示在数码管上，外部中断子程序，如在4m之内没有遇到障碍物，接收极不回受到反馈信号，没有回波，无显示。主程序及中断服务程序流程图如图2所示。

定时器中断程序其目的是控制系统发射超声波，过程为先将定时器初始化，然后开始发射超声波如果三个方向均发生完超声波后则停止发射，否则停止发射。启动计时器开始计时，接受到一个40kHz的方波信号，超声波发送完毕，进入延时，避开发射的直达声波信号 ，开启接收回波中断，收到回波时进入，关计数器，将计数值移入处理单元，接收成功标志，发射停止，进入下一个循环。

利用单片机设计的超声波测距装置便于操作、读数直观。经实际测试证明，该类测距装置工作稳定，能满足一般近距离测距的要求，且成本较低、有较高的性价比。本超声波测距装置可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合，设计实用性极强。但应用在现实中应用会存在一些问题，可以根据具体情况加以改进。

图2 主程序及中断服务程序流程图

参考文献

［1］戴曰章.基于超声波测距的汽车倒车报警器设计［J］.自动化与仪器仪表，2006：3.54-58.

［2］赵文龙，苑鸿骥，熊丽云.汽车倒车测距仪中信号处理技术的研究［J］.厦门大学学报，2001，40（4）：106-110.

［3］宋明耀.提高超声测距精度的设计［Z］.电子产品设计，2004年：9-12.

Ultrasonic distance measurement device based on SCM

Liu Yijie，Wang Xinyan，Qian Yue
（Shenyang Institute of Technology，Fushun Liaoning，113122）

Abstract：This article elaborates design proposal and the development of Ultrasonic distance measurement device based on SCM.This design uses the SCM as controller's core to carry on the control.When system automatic start，the ultrasonic wave transmission module launches 40kHz the ultrasonic wave signal backward，it meets the obstacle reflection and carries on the enlargement and the comparison by the supersonic reception module collection， the microcomputer sends this signal into the display module，simultaneously triggers the sound alarm circuit，sends out the sound prompt.When it is smaller than with the obstacle distance 0.8m，exudes the different warning sound，reminds the driver to stop.

Keywords：Ultrasonic distance measurement；Singal-chip microcomputer；Alarm