基于单片机的超声波测距系统设计

杨道平，简 岩

（遵义师范学院，贵州 遵义 563002）

基于单片机的超声波测距系统设计

杨道平，简 岩

（遵义师范学院，贵州 遵义 563002）

文章以STC89C52单片机为核心，设计了一个利用超声波测距的系统。系统主要由单片机最小系统、超声波检测模块、电源模块、蜂鸣器和LED模块、按键模块、显示模块等组成。特点是实现成本低，性价比高，能直接应用于生产实践。

单片机；超声波；测距

1　超声波测距的原理

超声波测距的3种方法：

（1）相位检测法：精度高，但是检测范围有一定的局限性；（2）声波幅值检测法：易受反射波的影响；（3）浓度时间法：简单方便，其功能很容易实现。该方法是从发射开始计时，当声波遇到障碍物时返回，得到时间t，这就是渡越时间，然后再根据公式计算出距离s。设测量距离为s，往返时间差为t，超声波的速度为v，则有s=tv/2。

因为超声波也属于声波的范畴，它的速度v与空气的湿度、压强和温度都有很大的关系。例如：当温度上升10摄氏度，则它的速度会增加6m/s。如果在使用时温度变化不大，则可认为声速v是基本不变的，计算时取v为340m/s。如果测距的精确度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件电路基本不变的情况下通过软件改进算法的方法来加以校正。

2　系统设计

2.1系统设计目标

（1）测量范围0.02m-4m。

（2）测量精度1cm。

（3）1602液晶显示测量结果。

（4）可设置报警值，报警值可以断电保存。（5）当小于报警值时，进行声光报警。

2.2系统设计方案

本系统主要由单片机最小系统和超声波检测模块、按键模块、电源模块、显示模块、蜂鸣器和LED模块等组成。系统的核心器件为STC89C52单片机，由电容电阻和晶振等几个模块构成；超声波检测模块主要采用器件HC-SR04，作为距离传感器，进行距离的测量；显示模块采用1602液晶，负责显示测量到的距离值；按键模块能进行报警值的设置；当测量值小于报警值时，蜂鸣器和LED报警装置将进行声光报警；电源采用5V的USB供电。系统结构图如图1所示。

2.3单片机最小系统

单片机的最小系统由复位电路，晶振电路，电源3个部分来构成，具体设计图如图2所示。

图1　超声波测距系统示意

图2　STC89C52最小系统

2.4超声波模块

声波模块一共引出4个引脚： VCC、TRIG、ECHO和GND。本设计中，把超声波的ECHO引脚接到单片机的P23口，TRIG引脚接到单片机的P22，如图3所示。

图3　 HC-SR04模块引脚

2.5液晶显示模块

液晶模块的电路的连接图如图4。第1脚和第2脚分别连接电路的GND和VCC，这2个脚是液晶工作的电源输入脚。第5脚是液晶的读写控制脚，连接到单片机的P14脚上。第6脚是液晶的使能脚，连接到单片机的P15脚上。第7脚到第14脚是液晶的数据/地址8位总线，连接到单片机的P0口上。最后第15脚和第16脚是液晶的背光电源脚，直接连接系统VCC和GND。

图4　液晶模块电路连接

2.6蜂鸣器报警电路

蜂鸣器在工作的时候需要的电流很大，单片机的I0口不能直接驱动。因此考虑了增加一个三极管来辅助，其接到P20口，如果它输出“0”蜂鸣器就会自动报警。

2.7按键输入模块

按键设计考虑了“设置”“加”“减”3个键，采用独立键盘，分别连到单片机的P10，P11和P12。按键的连接图如图5所示。

图5　按键设计示意

2.8软件设计

软件设计部分将超声波探测的数据临时存放在单片机内，进行相应处理和计算。在液晶初始化和内容显示初始化后，第一步是启动超声模块，将测得的距离通过1602液晶显示出来，然后判断测得的距离是否小于设定值，如果小于，则进行声光报警。第二步是对按键的扫描，判断是否有按键被按下，若有，则进入报警值的设置操作。本系统的软件流程图如图6所示。

图6　程序设计流程

3　结语

结合超声波测距原理、利用单片机强大的运算能力和实时控制的功能，文章设计出了一款简单实用的测距系统。设计中利用12MHz高精度的晶振，可以得到较稳定的频率，减小了测量时的误差。

经过测试，本系统工作相对稳定，达到了各项设计指标要求，能够满足一般近距离的应用。

［1］张毅刚.单片机原理及应用［M］.南京：高等教育出版社，2010 .

［2］李丽霞.单片机在超声波测距中的应用［J］.东北电力学院学报，1996（4）：50-53.

［3］张鹏，张有志.一种新型超生测距系统［J］.山东大学学报，2003（1）：18-21.

［4］陈大新，胡学同，周杏鹏.利用FPGA改进超声波测距模块设计［J］.传感器技术，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

杨道平（1973-），男，贵州遵义，硕士，副教授；研究方向：智能计算。