基于51單片機的超聲波測距系統的設計

衡水職業技術學院 曹月真

一、設計任務和性能指標

（一）設計任務

利用單片機及外圍接口電路設計制作一個超聲波測距儀器，用液晶顯示器將測出的距離顯示出來。

要求畫出系統的電路原理圖，實物圖，繪出程序流程圖，并給出程序清單。

（二）性能指標

距離顯示：用LCD液晶顯示器進行顯示（單位是米）。

測距范圍：1Ocm到4OOcm的距離感測功能，測距精度可達到5mm以內。

圖1 系統設計框圖

圖2 超聲波測距模塊

圖3

二、設計方案

按照系統設計的功能要求，初步確定設計系統由單片機主控模塊、顯示模塊、超聲波發射模塊、接收模塊共四個模塊組成（如圖1）。

單片機主控芯片使用51系列AT89S52單片機，該單片機工作性能穩定，同時也是在單片機課程設計中經常使用到的控制芯片。

顯示模塊采用LCD12864，其突出優點就是可以顯示漢字等字符，且與單片機的接口簡單，操作方便。

超聲波發射模塊和接收模塊采用HCSRO4超聲波測距模塊，該模塊性能穩定，測量距離精確，精度高，盲區（2cm）超近。

三、主控電路

本系統采用了STC89S52作為主控電路，圖2為主控電路原理圖，圖3為主控電路實物圖。

STC89S52為STC公司的一款通用單片機，其操作簡便，功能強大，適用于簡單的控制系統的數據處理和動作控制方面。該芯片加密性強，具有超強抗干擾性能：

1.高抗靜電（ESD保護）

2.輕松過2KV/4KV快速脈沖干擾（EFT測試）

3.寬電壓，不怕電源抖動

4.寬溫度范圍：-4O℃～85℃

5.I/O口經過特殊處理

表1 12864液晶基本特性

6.單片機內部的電源供電系統經過特殊處理

7.單片機內部的時鐘電路經過特殊處理

8.單片機內部的復位電路經過特殊處理

9.單片機內部的看門狗電路經過特殊處理

該芯片在系統可編程，無需編程器，可遠程升級，可以直接替換ATMEL，PHILIPS，Winbond等產品。

四、超聲波模塊

（一）超聲波測距原理

通過超聲波發射裝置發出超聲波，根據接收器接到超聲波時的時間差就可以知道距離了。這與雷達測距原理相似。超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。（超聲波在空氣中的傳播速度為34Om/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離（s），即：s=34Ot/2）

（二）超聲波測距的應用領域

超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比，如電磁的或光學的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環境下有一定的適應能力。因此在液位測量、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面有廣泛應用。特別是應用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結構信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準確度也較其它方法為高。

（三）HC-SRO4超聲波測距模塊

HC-SRO4模塊可以提供2cm-4OOcm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達到3mm；可以滿足設計要求（見圖2）。

1.主要技術參數：

（1）使用電壓：DC5V

（2）靜態電流：小于2mA

（3）電平輸出：高5V

（4）電平輸出：低OV

（5）感應角度：不大于15度

（6）探測距離：2cm-45Ocm

（7）高精度：可達O.3cm

2.模塊工作原理：

（1）采用IO觸發測距，給至少1Ous的高電平信號；

（2）模塊自動發送8個4Okhz的方波，自動檢測是否有信號返回；

（3）有信號返回，通過IO輸出一高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(34OM/S))/2

3.模塊特點：

（1）超聲波對色彩和光照度不敏感，可在黑暗、有粉塵和測量透明物體的環境下使用；超聲波對電磁干擾不敏感，可在有電磁干擾等惡劣環境下工作；超聲波易于集成化、小型化。

（2）超聲波會受溫度、氣流、材質等影響；超聲波測距如欲達到一定精度，需要復雜的外圍電路支持。

五、顯示模塊

顯示單元部分采用12864液晶模塊，根據設計要求，用于顯示測量距離，其顯示單元電路如圖3所示。

（一）12864液晶功能及優勢

帶中文字庫的12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示；其顯示分辨率為128×64。內置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點陣的漢字。

12864液晶模塊可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。

（二）12864液晶基本特性

12864液晶基本特性如表1所示。

六、系統軟件設計

超聲波測距的軟件設計主要由主程序、超聲波發生子程序、超聲波接收程序及顯示子程序組成。超聲波測距的程序既有較復雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用C語言編程。

[1]張毅剛.新編MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2004.

[2]康華光.電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2001.

[3]黃智偉.全國大學生電子設計競賽制作實訓[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.