基于单片机的超声波测距仪系统设计

周晴

摘要：基于单片机作为核心环节，进行了超声波测距系统设计，对超声波测距仪器的工作原理做了详细介绍，并深入分析了发射电路、接收电路以及相应的软件实现流程。通过具体实验，结果表明，此超声波测距系统通过对超声波发声子程序发送的脉冲宽度与测量间隔时间进行修改，进一步满足了各种距离下的测量需求。而且，这一超声波测距仪器所能测量的距离范围大约在0.07-5.5m，最大误差控制在1cm以内。此系统的结构简单、操作方便、价格低廉，具有广阔的推广前景。

关键词：超声波;超声波测距仪;超声波换能器

中图分类号：TP311      文献标识码：A      文章编号：1009-3044（2018）35-0216-02

Abstract： In this paper， A kind of ultrasonic ranging instrument Based on MCU STC89C51 is introduced. The operating principle of the instrument， ultrasonic transmitting circuit， ultrasonic receiving circuit and corresponding design of software are proposed in detail. Theexperimental results show that the system can meet the measurement requirements of different distances by modifying the pulse width of each pulse and the interval between the two measurements， the range of the instrument is 0.07～5.5m， the maximum error is not more than 1cm.It has many advantages such as simple structure， convenient operation， low price and so on. So it has widely prospect.

Key words：  MCU; ultrasonic ranging instrument; ultrasonic transducer

1 概述

在社会经济发展，科学技术不断更新的趋势下，现代化测距技术也开始实现了进一步优化与完善。现阶段，测距方式相对较多，其中主要包括核辐射测距、微波测距、激光测距、超声波测距[1，2]。核辐射会泄漏射线，直接威胁人类的身体健康，而微波测距的造价太高，激光测距则是制作难度比较大，且缺乏良好的抗干扰能力。相反，超声波则具备较好的方向性、抗光磁干扰能力，还不受空气能见度的影响[1，3]，所以，在医疗探伤、机器人视觉识别以及勘测等各个领域都实现了广泛应用与大力推广。目前，国内外相关研究主要涉猎的是扩大量程，提高精确度，为了进一步满足实际需求开发的新型系统等范围。王小阳等[4]研究了超声波测距中不同的反射面粗糙度对测距精度的影响;张野[5]设计并实现了一款基于STC89C52单片机的超声波测距仪。陆城富，许宜申等[6]就既有一维倒车雷达系统难以深入探测地面状况的相关问题，进行了超声波测距的二维倒车雷达系统设计。本文中设计的超声波测距系统，可以就自身具体状况，对超声波发声子程序所发送的脉冲宽度与测量间隔时间进行修改，从而去适应各种距离的测量需求。该测距系统能测的范围为0.07～5.5m，最大误差不超过1cm。

2 系统的基本原理与硬件设计

2.1 超声波测距原理

此原理与蝙蝠回声定位的能力大体相似，主要是通过发射检测声波和在遇到障碍物以后的反射波之间的时间差异，进行传播距离计算，具体如图1所示。

從图1可以看出，若发射换能器和接收换能器之间的距离远远小于测量距离时，即θ角特别小（θ→0时，可以近似认为cosθ=1，此时可以得到超声波测距公式：

式中，v是声波的传播速度，但是很容易受温度影响，因此需要进行相应的温度补偿。根据温度每变化1°，速度将变化 0.607m/s以及在0°时，声速为330m/s。可将温度（T）和声速的关系表示为以下公式：

2.2 系统设计

图2为本文所述测距系统总体设计方框图，单片机选用经济易用，便于编程的AT89C51。就整个系统来说，通过单片机对超声波发射进行控制，并计算超声波发射端—接收端—发射端的往返时间。其中，单片机所发出的信号，在扩大之后，利用超声波发射器进行输出。超声波接收器在接收到超声波的信号，并基于放大器进行扩大，同时使用锁相环电路做检波处理之后，及时启动单片机的中断程序，以此获取时间，然后通过软件判断和计算，从而获取距离数，最终通过LED显示出来。

2.3 硬件设计

选用经济易用，且片内有4K的ROM，便于编程的单片机AT89C51为核心。通过单片机对超声波发射进行控制，并进一步计算超声波从发射到接收整个过程所利用的时间。

2.4 超声波发射与接收电路设计

超声波发射电路的组成部分主要包含反相器和超声波发射换能器，其中单片机端口所传输的40kHz方波信号，一方面通过一级反向器之后，传输到超声波换能器的电极，另一方面通过两级反向器之后，传输到超声波换能器的另一电极，使用推换的方式把方波信号添加进超声波换能器两端上，能够直接促进超声波发射强度的提升。输出端利用两个反向器进行并联，以此促使驱动能力得以提高。而上位电阻不仅能够提高反向器的输出高电平的驱动能力，还能够进一步强化超声波换能器的阻尼效果，从而大大缩减自由振荡的时间。

集成电路CX20106A是专用的红外线检波接收芯片，在电视机红外遥控接收器上经常见到。由于红外遥控常用的是38kHz的载波频率，接近于测距系统的超声波频率，能够通过其制作超声波检测接收电路。而且经过实践表明，使用集成电路CX20106A进行超声波接收，其灵敏度与抗干扰能力非常强。而且适当对电容C4进行修改，能够提高接收电路的灵敏度与抗干扰能力。

3 软件设计

软件分为两部分，即主程序与中断服务程序。其中主程序能够对初始化工作、超声波发射、接收顺序等进行严格控制。而定时中断服务子程序主要完成的工作是三方向超声波轮流发射。外部中断服务子程序所需要完成的工作任务主要是读取时间值，计算距离，输出结果等。

4 电路调试与结果

超声波发射与接收主要是利用Φ15的超声波换能器TCT40-10F1（T发射）和TCT40-10S1（R接收），其中中心频率是40kHz，在安裝的时候，保持两个换能器的中心轴线保持平行状态，中间距离控制在4-8cm，其他的元件并没有特定标准要求。如果可以使用金属壳屏蔽超声波接收电路，那么能够有效提高其抗干扰能力与灵敏度。就测量范围要求的不同来讲，能够合理调整与接收换能器相连接的滤波电容大小，从而获取最佳接收灵敏度和抗干扰能力。

在制作完成硬件电路并加以调试之后，就可以把程序编译好，并及时下载到单片机中进行试运行。就具体情况来讲，能够适当对超声波发声的子程序所发送的脉冲宽度与测量间隔时间进行修改，以此适应各种距离的测量需求。就设计的电路参数与程序来说，测距仪器所可以测量的范围在0.07-5.5m，测距仪器的最大误差严格控制在1cm以内。在基于单片机的超声波测距系统调试完成之后，需要针对测量误差与重复一致性进行多次实验并加以分析，以此优化系统，确保其满足实际使用的多元化需求。

参考文献：

[1] 杜洁，徐本连，朱培逸.多路无线超声波测距系统研发[J].中国测试，2015，41（1）：81-84.

[2] 张攀峰，王玉萍，张健，等.带有温度补偿的超声波测距仪的设计[J].计算机测量与控制， 2012（20）：1717-1719.

[3] 时德钢，刘晔，王峰，等. 超声波测距仪的研究[J]. 计算机测量与控制，2002，10（7）：480-482.

[4] 王小阳，童峰，阮橙.反射面起伏程度对超声波测距精度影响研究[J].南京大学学报（自然科学增刊），2015（51）：107-111.

[5] 张野. 基于STC89C52单片机的超声波测距仪设计[J]. 科技与企业，2015（3）：59.

[6] 陆城富，许宜申，吴茂成.基于超声波测距的二维倒车雷达系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2015（10）：58-61，75.

[通联编辑：光文玲]