基于LPC2136微控制器的超声波测距仪设计

李力 冯军军 陈新华

摘要：在现代社会生活中，电子测量是一种很常用的测量技术，其中超声波测距由于其使用方便、精确高、成本低、性能稳定，因此成了一种使用范围最广的测距方式。文中阐述了使用超声波测距的原理和系统整体设计方案，以及系统的硬件和软件组成，基于LPC2136微控制器设计了一款同时具有显示和语音提示功能的超声波测距仪。

关键词：超声波;超声波测距;超声波测距仪;微控制器;LPC2136

中图分类号：TP312    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）23-0257-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design of Ultrasonic Ranging Instrument Based on LPC2136 Microcontroller

LI Li，FENG Jun-jun，CHEN Xin-hua

（Department of Information Engineering， Sichuan Vocational College of Information Technology， Guangyuan 628017， China）

Abstract： In modern social life， electronic measurement is a very common measurement technology， in which ultrasonic ranging has become the most widely used method because of its convenient use， high accuracy， low cost and stable performance. This paper describes the principle of ultrasonic ranging and the overall design scheme of the system， as well as the hardware and software composition of the system. Based on LPC2136 microcontroller， an ultrasonic ranging instrument with display and voice prompting functions is designed.

Key words： Ultrasonic; Ultrasonic ranging; Ultrasonic ranging instrument; Microcontroller; LPC2136

隨着经济的不断发展、社会的迅速进步，很多场合都需要用到电子测量技术，如海洋测量、雷达、倒车防撞、机器人接近觉、建筑工地等。

非接触式测距主要是利用电子波或声波进行测距，如激光、毫米波、超声波、红外线测距等[1]，其中超声波受光线、色彩、电磁场变化的影响小[2]，和其他非接触式测距方法相比，更适在光线弱、电磁干扰强的环境中使用[3]，其原因是它，除此之外还具有易维护、安全、寿命长等特点，因此被广泛使用。另外，超声波的波速大约是光速的1/106，传播速度慢，传播时间更容易被检测。其次，超声波传播时能量消耗缓慢，更适用于较远距离的传播[4]。虽然环境温度会影响超声波的传播速度，但是可以通过公式修正超声波波速，从而提高测量精度以达到工业应用的要求[5]。再者，超声波距离计算方法简单且使用方便[6]。

本文详尽地分析了超声波测距的原理、系统组成和硬件构成，基于LPC2136微控制器设计了一款可以进行温度补偿的超声波测距系统。

1 超声波测距原理

超声波频率大于20KHz[7]，其特点是频率越高，反射能力越强，因此可以制作超声波传感器[8]。超声波传感器是一种能量转换装置，它有两极——超声波发送极和接收极，其中发射将电能转换成机械能，相反接收极将机械能转换成电能[9]。

如图1所示，L为测量距离，H是超声波装置两极（超声波接收和发射）间距离的1/2，S为超声波装置发射极到障碍物的距离，如果超声波传播时间为t，波速为c，则S=ct/2。

由图可知测量距离[L=S2-H2=ct22+H2]，在整个公式中c和H都是已知条件，要计算机L，只需测量超声波传播时间t。t测量方法为，超声波装置发送超声波时开始计时，接收到障碍物反射回来的超声波时结束计时，这个时间间隔就是超声波在介质中的传播时间t。在测量精度要求较高的场合还要考虑环境温度对超声波波速的影响[10]，环境温度T和超声波波速c之间的关系一般为：c=331.6+0.6107×T;若测量精度要求不高，可以认为c=340m/s[11]。

2 系统总体设计方案

如图2所示，整个系统由主控制模块和多个子功能模块组成，子功能模块主要包括：按键中断子模块用于完成系统功能设置、显示模块用于呈现环境温度和距离检测结果、温度检测模块用于检测环境温度、报警模块用于提示极限距离、超声波测距模块用于测量超声波装置到障碍物的距离、语音模块用于播报测量距离。

其中微控制器选用的是ARM7的嵌入式芯片LPC2136，超声波测距模块选用的是US-100模块，语音模块选用的是ISD4004语音芯片，极限报警模块选用的是LM386音频放大器，温度检测模块选择的是DS18b20温度传感器，显示模块选用的是LCD1602字符型液晶。

2.1 微控制器及外围电路设计

在本设计中，系统的主控芯片选择的是LPC2136。LPC2136是PHILIPS公司生产的32位ARM7TDMI-S微控制器。其特点是：功耗低、抗干扰能力强、命令执行效率高且封装小[12];分别有32KB的片内静态RAM和256KB的Flash程序存储器用于完成命令执行过程中数据和程序的存储[13];47个通用I/O口，2个串行接口，9个外部中断，可以同时连接多个外设[14];2个32位定时/计数器，用于定时和计数[15]。

2.2 US-100超声波测距模块

为了自动校正环境温度对测量测距的影响，US-100自带温度传感器;其测距范围为2cm～4.5m;通信方式有GPIO、串口等;为保证程序的可靠运行，US-100内带看门狗;工作环境温度为-20～+70℃，电压输入范围为2.4～5.5V，静态功耗低于2mA，性能可靠。

2.3 LCD1602液晶显示器

LCD1602每行16个字符模块，总共两行。其可以显示数字、字母和符号。每个模块都是一个5×11或5×7的点阵，模块间有一个点的距离[16]。LCD1602的最大缺点是不能显示图形。

2.4 ISD4004语音芯片和LM386音频功率放大器

ISD4004是很常用的语音芯片，其特点是质量高、输出的语音比较自然不会机械化。每个ISD4004芯片可录音10万次;8～16分钟的录放时间;工作电压为3V;通信方式可以使用串行通信接口SPI或者Microwire;常用于便携式语音设备中。

LM386音频功率放大器，其特点是外接元件少、失真小、工作电压范围宽、功耗低等，常用于各种各样的收音和录音设备中。

3 软件设计

本文中程序的设计选用的是keil uvision4软件，编程语言选择的是C语言。根据系统功能系统的程序主要由主控制程序和多个子程序组成。主控制程序是整个系统的核心，用于完成各种外设的初始化以及所有个子程序的调用。不同的子程序用于完成不同的子功能，如外部中断子程序主要完成系统功能设置;语音采集子程序用于完成系统语音的采集;温度采集子程序用于完成温度的检测;超声波测距子程序用于完成距离的测量;显示子程序用于实时显示测量距离和环境温度。语音播报子程序主要完成环境温度和测量距离度的播报。

4 电路调试与结果

根据系统框架图和選择的硬件设备，绘制了电路图并制版、焊接，从而设计了一种基于LPC2136微控制器的超声波测距仪。在系统设计中使用ISD400语音芯片和LM386音频放大器，用于完成语音的采集以及播放;使用US-100超声波模块完成了2cm～4.5m范围内的高精确度距离测量;使用LCD1602液晶显示器，实现了测量距离和环境温度的实时显示。经过测试，该系统测量效果良好、性能可靠，适用倒车辅助系统、移动机器人避障、工地施工等短距离测量。

参考文献：

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[14] 梁辰明. 基于FPGA和ARM的数字逻辑测试仪的设计与实现[D].东南大学，2018.

[15] 高磊. 基于物联网技术的果园虫害信息监测系统设计[D].安徽大学，2018.

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【通联编辑：梁书】