基于單片機的超聲波測距儀系統設計

周晴

摘要：基于單片機作為核心環節，進行了超聲波測距系統設計，對超聲波測距儀器的工作原理做了詳細介紹，并深入分析了發射電路、接收電路以及相應的軟件實現流程。通過具體實驗，結果表明，此超聲波測距系統通過對超聲波發聲子程序發送的脈沖寬度與測量間隔時間進行修改，進一步滿足了各種距離下的測量需求。而且，這一超聲波測距儀器所能測量的距離范圍大約在0.07-5.5m，最大誤差控制在1cm以內。此系統的結構簡單、操作方便、價格低廉，具有廣闊的推廣前景。

關鍵詞：超聲波;超聲波測距儀;超聲波換能器

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：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

在社會經濟發展，科學技術不斷更新的趨勢下，現代化測距技術也開始實現了進一步優化與完善?，F階段，測距方式相對較多，其中主要包括核輻射測距、微波測距、激光測距、超聲波測距[1，2]。核輻射會泄漏射線，直接威脅人類的身體健康，而微波測距的造價太高，激光測距則是制作難度比較大，且缺乏良好的抗干擾能力。相反，超聲波則具備較好的方向性、抗光磁干擾能力，還不受空氣能見度的影響[1，3]，所以，在醫療探傷、機器人視覺識別以及勘測等各個領域都實現了廣泛應用與大力推廣。目前，國內外相關研究主要涉獵的是擴大量程，提高精確度，為了進一步滿足實際需求開發的新型系統等范圍。王小陽等[4]研究了超聲波測距中不同的反射面粗糙度對測距精度的影響;張野[5]設計并實現了一款基于STC89C52單片機的超聲波測距儀。陸城富，許宜申等[6]就既有一維倒車雷達系統難以深入探測地面狀況的相關問題，進行了超聲波測距的二維倒車雷達系統設計。本文中設計的超聲波測距系統，可以就自身具體狀況，對超聲波發聲子程序所發送的脈沖寬度與測量間隔時間進行修改，從而去適應各種距離的測量需求。該測距系統能測的范圍為0.07～5.5m，最大誤差不超過1cm。

2 系統的基本原理與硬件設計

2.1 超聲波測距原理

此原理與蝙蝠回聲定位的能力大體相似，主要是通過發射檢測聲波和在遇到障礙物以后的反射波之間的時間差異，進行傳播距離計算，具體如圖1所示。

從圖1可以看出，若發射換能器和接收換能器之間的距離遠遠小于測量距離時，即θ角特別?。é取?時，可以近似認為cosθ=1，此時可以得到超聲波測距公式：

式中，v是聲波的傳播速度，但是很容易受溫度影響，因此需要進行相應的溫度補償。根據溫度每變化1°，速度將變化 0.607m/s以及在0°時，聲速為330m/s?？蓪囟龋═）和聲速的關系表示為以下公式：

2.2 系統設計

圖2為本文所述測距系統總體設計方框圖，單片機選用經濟易用，便于編程的AT89C51。就整個系統來說，通過單片機對超聲波發射進行控制，并計算超聲波發射端—接收端—發射端的往返時間。其中，單片機所發出的信號，在擴大之后，利用超聲波發射器進行輸出。超聲波接收器在接收到超聲波的信號，并基于放大器進行擴大，同時使用鎖相環電路做檢波處理之后，及時啟動單片機的中斷程序，以此獲取時間，然后通過軟件判斷和計算，從而獲取距離數，最終通過LED顯示出來。

2.3 硬件設計

選用經濟易用，且片內有4K的ROM，便于編程的單片機AT89C51為核心。通過單片機對超聲波發射進行控制，并進一步計算超聲波從發射到接收整個過程所利用的時間。

2.4 超聲波發射與接收電路設計

超聲波發射電路的組成部分主要包含反相器和超聲波發射換能器，其中單片機端口所傳輸的40kHz方波信號，一方面通過一級反向器之后，傳輸到超聲波換能器的電極，另一方面通過兩級反向器之后，傳輸到超聲波換能器的另一電極，使用推換的方式把方波信號添加進超聲波換能器兩端上，能夠直接促進超聲波發射強度的提升。輸出端利用兩個反向器進行并聯，以此促使驅動能力得以提高。而上位電阻不僅能夠提高反向器的輸出高電平的驅動能力，還能夠進一步強化超聲波換能器的阻尼效果，從而大大縮減自由振蕩的時間。

集成電路CX20106A是專用的紅外線檢波接收芯片，在電視機紅外遙控接收器上經常見到。由于紅外遙控常用的是38kHz的載波頻率，接近于測距系統的超聲波頻率，能夠通過其制作超聲波檢測接收電路。而且經過實踐表明，使用集成電路CX20106A進行超聲波接收，其靈敏度與抗干擾能力非常強。而且適當對電容C4進行修改，能夠提高接收電路的靈敏度與抗干擾能力。

3 軟件設計

軟件分為兩部分，即主程序與中斷服務程序。其中主程序能夠對初始化工作、超聲波發射、接收順序等進行嚴格控制。而定時中斷服務子程序主要完成的工作是三方向超聲波輪流發射。外部中斷服務子程序所需要完成的工作任務主要是讀取時間值，計算距離，輸出結果等。

4 電路調試與結果

超聲波發射與接收主要是利用Φ15的超聲波換能器TCT40-10F1（T發射）和TCT40-10S1（R接收），其中中心頻率是40kHz，在安裝的時候，保持兩個換能器的中心軸線保持平行狀態，中間距離控制在4-8cm，其他的元件并沒有特定標準要求。如果可以使用金屬殼屏蔽超聲波接收電路，那么能夠有效提高其抗干擾能力與靈敏度。就測量范圍要求的不同來講，能夠合理調整與接收換能器相連接的濾波電容大小，從而獲取最佳接收靈敏度和抗干擾能力。

在制作完成硬件電路并加以調試之后，就可以把程序編譯好，并及時下載到單片機中進行試運行。就具體情況來講，能夠適當對超聲波發聲的子程序所發送的脈沖寬度與測量間隔時間進行修改，以此適應各種距離的測量需求。就設計的電路參數與程序來說，測距儀器所可以測量的范圍在0.07-5.5m，測距儀器的最大誤差嚴格控制在1cm以內。在基于單片機的超聲波測距系統調試完成之后，需要針對測量誤差與重復一致性進行多次實驗并加以分析，以此優化系統，確保其滿足實際使用的多元化需求。

參考文獻：

[1] 杜潔，徐本連，朱培逸.多路無線超聲波測距系統研發[J].中國測試，2015，41（1）：81-84.

[2] 張攀峰，王玉萍，張健，等.帶有溫度補償的超聲波測距儀的設計[J].計算機測量與控制， 2012（20）：1717-1719.

[3] 時德鋼，劉曄，王峰，等. 超聲波測距儀的研究[J]. 計算機測量與控制，2002，10（7）：480-482.

[4] 王小陽，童峰，阮橙.反射面起伏程度對超聲波測距精度影響研究[J].南京大學學報（自然科學增刊），2015（51）：107-111.

[5] 張野. 基于STC89C52單片機的超聲波測距儀設計[J]. 科技與企業，2015（3）：59.

[6] 陸城富，許宜申，吳茂成.基于超聲波測距的二維倒車雷達系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2015（10）：58-61，75.

[通聯編輯：光文玲]