超聲波測距儀的設計和實現

陳蔚

摘要：本文介紹了利用HC-SR04超聲波傳感器測距模塊組成測距儀的設計方法。講述了HC-SR04超聲波傳感器測距模塊的特點和使用方法，并從功能、硬件設計以及程序流程等方面介紹了該測距儀的設計。采用這種方案的測距系統具有操作方便，穩定性高，性價比高等特點。

關鍵詞：超聲波；測距；單片機

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）05-0182-02

隨著科技的快速發展，超聲波的運用也越來越多。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而可利用其進行距離的測量。特別是超聲波對電磁場、色彩和光照度不敏感，更方便用于環境差，如黑暗、有電磁干擾或有毒的地方進行距離的測量。

相對對射式超聲波測距傳感器，反射式超聲波測距傳感器價錢低廉，兼容性和標準化程度也較好。因此本設計選用反射式超聲波測距集成模塊HC-SR04，以PIC單片機為核心，實現對HC-SR04超聲波測距模塊的數據采集和控制，同時在液晶顯示屏上顯示精確的測距結果。

1 硬件組成

本系統的硬件設計包括距離采集、控制部分和數據顯示三個部分。

1.1 超聲波距離采集部分

本設計的距離采集部分選用了超聲波測距模塊HC-SR04，是借助超聲脈沖回波渡越時間法來實現的。該模塊可提供2cm-450cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達0.3cm。模塊包括超聲波發射器、接收器和控制電路等部分。模塊的各引腳功能如下：TRIG是觸發測距引腳，內部上拉10K的電阻，需給至少10μs的高電平信號；ECHO是信號接收引腳，當有信號返回時，該腳輸出一個高電平；VCC是5V電源端；GND是接地端；OUT腳為此模塊作為防盜模塊時的開關量輸出腳，測距模塊不用此腳。

圖1是HC-SR04模塊的基本時序圖。從時序圖可以看出HC-SR04模塊的測距主要包含三個過程[1]：（1）控制口TRIG腳觸發測距，給至少10μs的高電平信號。（2）模塊自動發送8個40KHz的方波，自動檢測是否有信號返回。（3）一旦有信號返回，則可以檢測到通過接收口ECHO輸出的高電平。高電平持續時間就是超聲波從發射到返回的總時間。可推出HC-SR04模塊的測距公式如下：測試距離=（高電平持續時間×聲速（340m/s））/2。

1.2 控制部分

本設計的控制部分由單片機完成。單片機選用PIC16C73，該機最大的特點是省電，適合設計便攜式設備；35條簡單指令集，編程簡便；集成多種外設，簡化外圍電路。PORTB口的RB0管腳連接HC-SR04模塊的TRIG腳，RB7管腳設置成電平中斷功能并連接HC-SR04模塊的ECHO腳。當RBO口觸發測距后，就可以在RB7口等待高電平輸出。一有輸出就打開TMR1計時，當此口變為低電平時就讀TMR1H和TMR1L 的值，即可獲取測距時間。

1.3 數據顯示部分

本設計選用段碼式液晶顯示屏LCM103顯示測距結果。LCM103是10位多功能通用型8段式液晶顯示模塊，內含兩種頻率的蜂鳴驅動電路，內置顯示RAM，可顯示任意字段筆劃，低功耗，顯示清晰，編程簡單，是儀器儀表通用型顯示模塊。其片選信號與PIC16C73的RA3腳相接，模塊數據/指令寫入線連RA2，數據輸入輸出線連RA1。

本設計的總電路如圖2所示。

2 軟件設計

PIC單片機軟件采用模塊化設計，由主程序、各子程序和中斷處理程序等組成。主程序完成液晶屏等設備和定時器等的初始化和各子程序的調用：超聲波發生子程序，超聲波接收子程序，測距子程序和顯示子程序。其中超聲波測距程序增加了數據的擬合算法，通過擬合算法的數據處理后，大大提高了測量精度。一旦超出超聲波傳感器的測量范圍，將進入中斷程序，報警相關的顯示程序將執行。超聲波測距程序的流程圖如圖3所示。

3 誤差分析

實驗結果表明本設計系統誤差主要是HC-SR04超聲波TRIG引腳和ECHO引腳時序設計上存在固有的時延[3]。在TRIG低電平下降沿后ECHO引腳并沒有立馬產生高電平，而是有一定時延。TRIG引腳下降沿和ECHO引腳上升沿的時間差約為500μs，將導致被測距離增加十多厘米。此外，由于不同溫濕度天氣會對聲波傳播速度造成一定影響，也會帶來一定的誤差。

4 結語

本設計是以HC-SR04發射式超聲波測距模塊為核心，以單片機為控制器的應用系統。采用這種方案的測距系統具有操作方便，性價比好，穩定性高，性能穩定等特點。適用于建筑及液面測量，工業控制和車輛自動導航等領域。

參考文獻

[1]張可兒.基于單片機的超聲波測距儀的設計[J].自動化與儀器儀表，2017，（1）：62-63.

[2]李軍，申俊澤.超聲測距模塊HC-SR04的超聲波測距儀設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2011，11（10）：77-78.

[3]唐曉鵬，謝興生.利用集成HC-SR04模塊設計對射式測距系統[J].微型機與應用，2014，（22）：90-93.