一種基于51單片機的超聲波測距設(shè)計

孫李生

摘要：在日常生活中，測量距離具有重要意義。在實際的生產(chǎn)過程中，采用超聲波測距的方法具有造價低、應用領(lǐng)域廣的明顯優(yōu)勢。對此，本文介紹了一種基于51單片機的超聲波測距設(shè)計， 該系統(tǒng)選用STC89C-51單片機作為處理芯片， 采用超聲波模塊HC-SR04進行距離測量。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作方便、測量精度高等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：51單片機；超聲波；測距；溫度

一、緒論

距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個參數(shù)，測距成為數(shù)據(jù)采集中要解決的一個問題。而超聲波是一種頻率高于20kHz，波長較短， 在空氣中傳播過程中以縱波形式傳輸?shù)臋C械波。由于超聲波的速度相對光速小的多，具有較好的方向性，其傳播時間比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強度好控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距。

超聲波測距是一種利用超聲波特性、電子技術(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。因為它是非接觸式的，所以它就能夠在某些特定場合或環(huán)境比較惡劣的情況下使用。

二、超聲波電路原理

超聲波測距是借助于超聲波脈沖回波渡越世間法來實現(xiàn)的。設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時間為t，在空氣中的傳播速度為c，則距離s可由以下公式求出：

s = c*t/2

本文采用的超聲波模塊是HC-SR04，當模塊的觸發(fā)信號發(fā)出10μs的高電平之后，模塊自動發(fā)出8個40Khz的方波，并自動檢測是否有信號返回；當有信號返回時，通過51單片機上的IO口輸出一個高電平，此時高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。該模塊的有效測量范圍為0.02～4 m， 能夠達到毫米級的測量精度。

三、超聲波測距系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)的主體框架包含以下幾個部分：

由STC89C51主控芯片、超聲波測距電路、顯示電路、復位電路、供電電路等幾部分組成，STC89C51單片機外接5 V直流電源，采用了12V轉(zhuǎn)5V的穩(wěn)壓電源。其中定時器0和1分別計時，一個對發(fā)射時間的計時，另外一個對接受高電平時間的計時；顯示部分為8位共陰數(shù)碼管組成，由兩個74HC573芯片控制，一個控制段選一個控制位選。

四、程序設(shè)計

軟件設(shè)計采用C語言編程，整體程序框圖如圖下所示。

一開始先是對系統(tǒng)進行初始化，設(shè)置定時器工作模式并開啟中斷。P1^1作為HC-SR04觸發(fā)信號的輸出，P1^2為HC-SR04響應信號的輸入。由HC-SR04的時序圖可知，P1^1需發(fā)出持續(xù)時間為10μs的高電平之后，模塊將自動循環(huán)發(fā)出8個40KHZ脈沖。在3秒內(nèi)，當P1^2接受到高電平時，與此同時馬上開始計時器。記下此高電平持續(xù)的時間，由距離=高電平時間*聲速（340m/s）/2，得出距離并顯示在數(shù)碼管上。當在上一次發(fā)出觸發(fā)信號之后3秒還沒接到響應信號，重新發(fā)出觸發(fā)信號。

五、誤差分析與解決

由于超聲波本身作為一種傳播介質(zhì)，在傳播的過程中會受到各種因素的影響，如：溫濕度、光照、傳播介質(zhì)，還有硬件條件的影響，其精度一般只能達到0.1～0.01cm；為了進一步提高其精度，采用了進行溫度補償法。

由于空氣中的聲速與溫度的關(guān)系為：c=331.4*

對此我們提出的進一步改進措施是，在采用HC-SR04可以先采用DS1802b（溫度傳感器）測出空氣中的實際溫度，然后再用上面的公式代入以求得更精確值。

六、結(jié)語

本文研究了一種基于51單片機的超聲波測距設(shè)計，并提出了一種針對超聲波精度不高的溫度補償方法。該系統(tǒng)選STC89C51單片機作為處理芯片， 使用超聲波模塊HC-SR04對超聲波進行收發(fā)。根據(jù)超聲波在空氣中傳播所用時間等于模塊內(nèi)部高點片持續(xù)的時間原理，計算出所要測量的距離。最終結(jié)果顯示， 該系統(tǒng)具有良好的測距精度。

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