基于单片机的超声波测距系统设计

文/霍海波

1 引言

近几年，我国科技水平在不断进步，测距手段越来越先进且多样，测距手段的危险性逐渐显现出来，人们开始重视发展安全性更高的测距技术，其中超声波测距技术因为具有的防尘性、防雾性以及非接触式等诸多优点受到人们的青睐，目前超声波测距技术已经得到了广泛的应用。对于超声波测距技术的研究受到了更多人的重视，而改良超声波测距的技术同时有利于测距仪的发展。目前我们已经研究出了一系列超声波测距系统，但是测距的范围有着一定的限制，大多集中在三米至十二米之间。而美国生产的超声波传感器距离已经达到了30米，相对应的，传感器的售价也会远高于普通的，无法实现全面应用。超声波测距系统研究都需要参考数值误差的精确度，差距一般局限于毫米内，利用相关算法可以实现精确度的进一步提高。相比较而言，视觉传感器比激光测距仪在精度上有着更大的发展空间。

2 基于单片机的超声波测距系统概述

基于单片机的超声波测距系统就是一种测距报警系统，系统设计的核心在于STC89 C52型号的单片机，并在核心主键的基础上开发系统，使系统能够具有智能测距功能与智能报警功能。智能测距与报警功能的实现，使测距系统的智能化得到了推进，也更好的诠释了单片机进入生活的角色，信息化时代下，电子产品大量应用于生活、工作、学习各个方面中，有效的改善了人们的生活方式，最大程度上的提升人们的工作效率与生活效率。基于单片机的超声波测距系统中报警器的优点在于使用方法简单、容易携带以及准确率高等等。可以说，随着科技水平的不断进步，在未来超声波测距系统一定会得到更好的发展，可以在测距工作中得到普及的应用，帮助人们解决测距工作中存在的问题。基于单片机的超声波测距系统的设计包括两个部分，分别是硬件设计和软件设计。

3 超声波测距系统原理概述

超声波测距系统的工作原理是超声波发射器的超声波发送，向某一个确定的方向发射的同时进行计时，超声波在碰触到障碍物之后会返回给超声波接收器一个反射波，此时停止计时，将时间纪录为t。根据速度距离公式，结合超声波的传播速度与时间t，可以推算出超声波发射点与所测量障碍物之间的距离为S=340t/2。在进行距离障碍物的距离测量时，如果介质传播的温度没有出现较大的变化时，我们可以将超声波的速度近似的认为在传输过程中未发生变化，只要测量出超声波往返障碍物的时间，就可以得到距离障碍物的实际距离。可以得到两个公式，分别为：H（距离）=Scosθ；θ=arctan（L（两个探头直间中心距离的一半）/H）。只要精确的测量出超声波发送并返回信号的时间t，就能够直接计算出超声波信号发送源与障碍物之间的距离H。

4 基于单片机的超声波测距系统的设计

4.1 基于单片机的超声波测距系统的总体设计方案

超声波测距系统由多个模块构成，分别包括单片机最小系统、超声波测距模块、智能报警电路模块等硬件设计及软件设计。基于单片机的超声波测距系统核心控制模块为STC89C52单片机，在进行距离的测量时，单片机的主芯片能够控制报警器的报警结果，计算测距与固定值的比较结果。当超声波测距系统测得的实际距离小于设定的固定距离时，报警器报警，反之则不报警，同时进行距离的二次检测。具体的单片机测距系统总体设计方案如图1所示。

图1：系统总体设计

图2：主程序工作流程

该超声波测距系统实现测距目标的途径是首先通过单片机进行方波信号的发出，将接收到的方波信号发送至超声波电路中，通过功率的变化实现芯片的方法，最终达到放大信号的目的，之后将放大后的信号输入进超声波发射头中。超声波在向测量目标传输的过程中一旦触碰到障碍物后会立马将信号反射回系统中，超声波测距系统中接收返回信号的是超声波接收头，之后，超声波接收头会发出一个下拉电平信号给单片机，单片机中的接收芯片将会进行接收信号的放大与整形。之后单片机进入中断状态，同时与外部的中断请示进行相应，对外部发送回来的中断子程序进行有效执行，最后根据计时器反馈回来的时间进行测量距离的计算，最终将计算结果直接在显示电路上显示。

4.2 单片机简介

上文说过，单片机是整个测距系统中最为核心的控制单元，因此，想要设计出最为完美的单片机测距系统首先任务就是在复杂多样的单片机中选择合适的一款。大多数单片机具有相同的基本结构，但是根据单片机的不同，可以设计出多种多样且不同功能的系统，单片机中含有的存储器可以实现系统运行数据的存储以及基础程序的存储，而其中央处理器能够实现对程序语言的处理作用，按照书写的程序完成相应动作，实现相应功能。总的来说，单片机具有极其强大的功能，同时，单片机有效的将多个功能集合在一个小小的芯片上，不仅在最大程度上减小了单片机的体积，同时使单片机能够具有更多的功能。

4.3 系统硬件设计

4.3.1 电路设计

电路设计是超声波测距系统设计的基础环节，在进行电路设计时，主要会用到五种应用于单片机外围的电路器件，分别是超声波传感器、四位数码管元件、STC89C52、蜂鸣器以及按键等等。整个电路设计中主要会用到三个按键，这三个按键的作用分别是设定、加、减。

4.3.2 单片机最小系统的设计

整个单片机最小系统主要分为四个组成部分，分别是上拉的晶振电路、po口、复位电路以及EA。其中，上拉的晶体震荡器电路又包括两个型号为30pF的电容器、一个为C2C3的电解电容、一个为12M晶体X1的电解电容。对于单片机最小系统而言，电容的主要作用是起振，帮助晶振过程更容易实现，其实际的取值范围在15pF至33pF之间。其中，晶振的值最高可以为24M，实践表明，单片机中的晶体取值越高，单片机的执行速度就会越快。系统中电容C1的极性设定为10uF，同时电阻R4的阴值设定为10K，这个电容与电阻就是构成系统复位电路的主要元件。在系统中，电容和电压都存在同一个使用性质，就是不能发生突变，当单片机最小系统真正通电之后，进行引脚的电平信号为高电平信号，其中RC的值能够直接决定高电平信号在系统运行中持续的时间长短，如果在这个过程中，RC的值是合适的，复位电路的可靠性就可以得到保障。在单片机最小系统的电路图中，设定的电阻阴值数值为10K，而电容器的容量大小设定为10uF。利用物理计算公式，可以轻松的计算出当电源电压为5伏时，电容充入了0.7倍电源电压的电时，信号传输所需要的时间为0.1S，计算公式为10K*10uF。也就是说，最小系统连接的计算机在启动0.1秒的过程中，产生的电压(电容两端）一般在0伏至3.5伏之间升高，在这个前提下，成功接收到电压的引脚范围在5伏至1.5伏之间，此时电压信号小于1.5伏，处于正常工作状态下的控制器会保持在低电平信号上，同时如果电压信号大于或等于1.5伏时，处于正常工作状态下的控制器会保持在高电平信号上。正因如此，在进行最小系统启动的0.1秒时间内，系统并不需要外力支持即可自动复位。在本基于单片机的测距系统的设计中，选择的单片机的PO口输出性质为开路输出，所以，一个PO口与取值为10K的排阻相连接，可以将PO口直接作为通用引脚来使用。在EA引脚上，如果连接到了一个信号较高的电平上时，复位成功后，控制器会从内部的0000H正式开始执行。相反，如果连接到了一个信号较低的电平上时，复位成功后，控制器会从外部的0000H正式开始执行。系统运行的程序全部存储在系统内部的控制器中，因此引脚EA想要连接高电平就必须保证单片机的程序读写是从内部开始执行的。

4.3.3 超声波测试模块设计

基于单片机的超声波测距系统的超声波测试模块选择了HC-SR04模块，其作用范围在两厘米与四百厘米之间，模块可实现测量功能，测距精确度可以高达三毫米。超声波测试模块主要由三个部分组成，分别是超声波发射器、控制电路以及接收器。进行超声波测距模块的设计实验时依据的实验原理是测距仪选用TIG，进而保证IO高电平信号可以不高于10 μs，保证高电平信号后模块会主动将八个40k赫兹方波发送，同时检测信号的返回情况，如果系统内返回了某一个信号，就可以将信号直接从回波端口向高电平输出。一般来说，超声波测距系统的测量距离等于高电平信号输出时间乘以声速除以2。每一个系统的设计在实际运行之前都需要进行测试，该系统实验的程序由两个函数共同组成。实际距离测量过程中，需要设置定时器进行定时测量，经公式计算得出结论：当信号的中断次数达到两千五百次时计时器现实的时间为125ms。超声波测距系统在进行实际测量时，往往由于频率的不同，定时器的初始值会存在一定的差异，这会对超声波测距系统的测量结果产生一定的影响。

4.3.4 智能报警电路模块设计

基于单片机的超声波测距系统中的特点之一就是智能报警系统，这个模块主要由单片机输出信号进行控制，使蜂鸣器实时报警。但是，单片机具有一个巨大的缺点，就是输出信号较弱，想要使蜂鸣器实现正常的工作就必须增强单片机的驱动能力，这就需要用到三极管这个元件。在这个超声波测距系统报警电路模块的设计中，采用了三个元件，分别是一个三极管元件、一个报警器元件以及一个2k的电阻元件，将三个元件共同接入到引脚上，进而组成了智能声音报警电路。

4.4 系统软件设计

系统的软件设计与硬件设计一同组成了系统详细设计，在超声波测距系统正式启动之后，系统会进行自动的初始化环节，之后比较设定值与实际的测量距离，如果测量距离大于设定值，则会将系统程序返回初始化状态，相反的，如果测量距离小于设定值，系统就会自动启动声音报警器，之后再次进行距离的比较，如果对比结果仍旧大于设定距离就可以自动结束报警器（图2）。

4.5 基于单片机的测距系统调试

一个系统想要在实际工作中得到有效的应用，就必须要在正式投入使用之前不断的进行程序的调试及系统的测试，尽可能的提高系统的测量精确度。在进行测试使用之后，可以利用传统的测量距离的工具，例如刻度尺进行系统测量距离的核对，观察系统是否符合实际，不断调整系统，不断完善系统。本系统设计的要求主要针对测距的范围及精度进行，系统分析与调试应围绕着两个参数开展。相对偏差绝对值的计算公式为：（真实值-测量值）/真实值*100%。分析上图的测量数据，可以发现，本系统在设计上是较为合理的，误差控制在满足设计小于十厘米的可控范围内，因此，该基于单片机的测距系统设计方案可行。

5 结束语

综上所述，基于单片机的超声波测距系统的设计对测距工作的发展有着极其重要的作用，本文对系统的电路设计、硬件设计、软件设计以及报警系统设计等多个模块的设计思路进行了详细的描述，该系统可以实现测距人员无接触的测量需求，对近距离的障碍物进行距离的实时测量，不仅操作简单，同时具有极强的可靠性。因此，该系统可以广泛应用于现实生活中，例如倒车雷达等等，同时为我国的无线测距发展带来的新灵感。