基于單片機的超聲波測距儀設計

吳楠++彭森

摘 要：本設計采用以AT89C51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設計方法。整個電路采用模塊化設計，由主程序、預置子程序、發射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經單片機綜合分析處理，實現超聲波測距儀的各種功能。在此基礎上設計了系統的總體方案，最后通過硬件和軟件實現了各個功能模塊。相關部分附有硬件電路圖、程序流程圖。經實驗證明，這套系統軟硬件設計合理、抗干擾能力強、實時性良好，經過系統擴展和升級，可以有效地解決汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業現場的位置監控。

關鍵詞：AT89C51；超聲波；測距

1 引言

隨著科學技術的快速發展，超聲波將在測距儀中的應用越來越廣。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的測距技術還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發展而又有無限前景的技術及產業領域。展望未來，超聲波測距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發展，以滿足日益發展的社會需求，如聲納的發展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續發展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實現超遠程的被動探測和識別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標識別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環境。無庸置疑，未來的超聲波測距儀將與自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。隨著測距儀的技術進步，測距儀將從具有單純判斷功能發展到具有學習功能，最終發展到具有創造力。在新的世紀里，面貌一新的測距儀將發揮更大的作用。

2 工作原理

發射器發出的超聲波以速度υ在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為t，由s=vt/2即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關，下表列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。

3 系統設計

超聲波測距儀原理框圖如圖1所示，單片機發出40kHZ的信號，經放大后通過超聲波發射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經放大器放大，用鎖相環電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數并送LED顯示。

4 超聲波測距儀的算法設計

超聲波測距的原理為超聲波超聲波測距的原理為超聲波發生器T在某一時刻發出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發生器與反射物體的距離。在啟動發射電路的同時啟動單片機內部的定時器T0，利用定時器的計數功能記錄超聲波發射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在INT0或INT1端產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。

4 系統仿真

根據電路連接圖連接電路，在KEIL環境下編譯鏈接裝入issue7 Professional中，修改預定參數，進行軟件仿真，點擊軟件執行鍵，最終仿真成功得到圖2所示的結果。

5 結論

由于時間和其它客觀上的原因，此次設計沒有做出實物。但是對設計有一個很好的理論基礎。設計的最終結果是使超聲波測距儀能夠產生超聲波，實現超聲波的發送與接收，從而實現利用超聲波方法測量物體間的距離。以數字的形式顯示測量距離。

超聲波測距的原理是利用超聲波的發射和接受，根據超聲波傳播的時間來計算傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式，電路的連接不可放過每個細節，少有疏忽就會出錯。對電路的整體布局也相當重要，一個好的布局對于理解和調試過程中的檢查錯誤不可缺少，還能使整個電路美觀，便于修改和創新。

參考文獻

[1]俞錫存.單片機原理及接口技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.

[2]張志良.《單片機原理及控制技術》（第2版）.北京：機械工業出版社，2005.

[3]余永權.MCS-51系列單片機實用接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版，1993.

[4]閻石.數字電子技術基礎第四版.北京：高等教育出版社，1998.

[5]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2001.

[6]姚年春，候玉杰.電路基礎[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[7]胡偉.單片機C程序設計及應用實例[M].北京；人民郵電出版社，2003.

[8]馮育長.單片機系統設計與實例指導[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.

作者簡介

吳楠，邵陽學院信息工程系電子科學與技術專業學生。

通訊作者（指導老師）

彭森，邵陽學院信息工程系教師。