基于單片機的超聲波測距儀設計

董鋼 重慶工程學院電子信息學院

引言：隨著人們生活水平的提高，科技的不斷進步，測速、測距在生活中應用越來越多。例如，在交通方面，道路上會定點安裝測速的裝置，對車輛是否超速進行檢測；汽車上也普遍裝了雷達，來對車輛周圍的物品進行距離檢測，當快要碰到的時候會發出警報。但是，生活中建筑的測量，家具的測量，房高的檢測這些方面，人們常常會使用軟尺等來測量。為了解決傳統的軟尺、直尺等在精確度，距離和測量環境的影響，設計了基于單片機的超聲波測距儀。

在本系統中超聲波用來測量物體之間的距離。由于超聲波的頻率高于20kHz，實際生活中超聲波頻率越高，它的反射越強。利用這個特性設計超聲波測距儀，先發送高頻率的超聲波，當接觸到被測物體時，發射回到接收器，通過往返的時間差，以及計算超聲波的衰減，根據一系列數據，得到被測物體的距離。

1 控制方案的確定

本系統主要由MSP 430 F 149 單片機控制，HC - SR04 超聲波傳感器檢測空氣中的超聲波，采用LCD 1602 液晶作為顯示控件。另外還包含有按鍵控制、蜂鳴器、電源等模塊共同組成了本系統。在系統的電路上設計合理，能夠滿足用戶在生活中和工業中實際的檢測，系統的運行情況穩定，檢測的結果準確，操作方便。

本系統控制方式的選擇主要分為單片機采用芯片的選擇，報警方式的選擇，數據顯示的選擇，距離檢測方式的選擇。

C P L D是可編程的邏輯器件。C P L D的編程十分靈活，軟件設計開發的周期相比其他的而言具有周期短，適用范圍相對較廣。C P L D的優點是能夠同時進行輸入輸出，這樣就可以提高系統的處理速度；缺點是它的功耗比較大，在本系統中沒有特別復雜的邏輯，對數據的處理速度要求也不高。從節能和資金方面考慮,C P L D不適用于本系統。

52單片機含有8字節的能夠編程也能清除的F lash 存儲器，而且它含有的C M O S 8位的微控制器，同時它的功耗也低，但是它的運行速率太慢了，所以不適用于本系統。

第三種方案是采用美國德州儀器（TI）推出的一種16位超低功耗的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）MSP430單片機，主要是針對實際方面的應用需求，把許多模擬電路、數字電路和微處理器集成在一個芯片上，以提供一種混合信號處理的解決方案，即“單片”混合信號處理。M S P 43F149 是16位混合型的單片機，相對于其他單片機具有指令集精確簡短，功耗低，可以在多方面延展使用，而且體積小，價格便宜。相對于其他單片機而言，M S P 43F 149更適合本系統，因此在本次設計中采用。

2 聲音報警電路方案的選擇

方案一：第一種方案是采用語音集成芯片ISD4004進行報警，由于ISD4004需要擴充喇叭驅動電路，且其本身控制比較繁瑣、電路也比較復雜，穩定性不好，噪音較大。基于以上考慮之后，所以放棄了此方案。

方案二：第二種方案是通過蜂鳴器實現報警電路，它具有以下優點：電路簡單、性能可靠、穩定性好等，最重要的是低成本，所以選擇方案二。

方案三：第三種方案是采用音樂芯片作為本系統的報警模塊，音樂芯片較其它而言，它的語音電路簡單，音樂的產生是通過內部振蕩電路產生。音樂芯片在語音集成中占著很重要的地位，而且在生活中的門鈴、賀卡、玩具、鬧鐘中經常能夠看到它的存在。故選擇方案二。

3 顯示方案的選擇

方案一：采用L E D數碼管動態顯示。L E D數碼管價格便宜，性價比也較高，并且采用動態掃描與單片機連接，占用的接線端少，電路簡單。但是顯示的內容單一，故在本系統中不適用。

方案二：采用點陣式數碼管顯示，點陣數碼管最常見的是8×8的二極管構成。點陣能夠更好的的顯示文字。由于本系統是對距離的測量，基本上顯示的是數字，如果采用點陣的話有點浪費，比較耗電，價格也不便宜。故在本系統中不適用。

方案三：采用L E D液晶屏顯示。L E D液晶屏是由單片機來驅動的，可以顯示數字、文字和圖片，并且顯示界面清晰、美觀，而且液晶顯示的程序簡單，價格便宜。故選擇方案三。

4 距離檢測模塊的選擇

方案一：采用紅外線光電開關。利用近紅外線和遠紅外線來檢測物體，根據紅外線碰到障礙物反射的原理，對接收的紅外線進行分析，判斷障礙物距離。但是，紅外光電開關要在照明度高的環境工作，并且不能正對太陽光、燈光等強烈光源。因此不適合本系統。

方案二：采用超聲波傳感器。超聲波在傳播時波長較短，繞射的現象少，方向性好能夠定向傳播。超聲波傳感器是通過對發射的超聲波遇障礙物返回，接收返回的超聲波進行分析，得出距離。這樣測出障礙物的距離準確性較高。

方案三：采用紅外測距傳感器。GP2Y0A21YK0F是測距傳感器單元，它是一種基于PSD的微型距離傳感器，其有效測距距離在10-80cm內，并且有效的測量角度必須要大于40度，以模擬電壓為輸出信號，在0-8cm內于Juin成正比非線性關系，在10-80cm范圍內成反比非線性關系，其平均功耗約為30mA，反應時間約為5ms，并對背景光和溫度的適應性較強[2]。雖然紅外傳感器的價格便宜，但是測量的精度準確性低，測量的距離較近，程序復雜，因此不適用于本系統。故選擇方案二。

5 結束語

本設計為基于MSP430F149單片機的超聲波測距儀，最初設定的預期測量范圍在2厘米到6米，通過實驗中的多次記錄和分析，即對硬件進行調試，對電路進行測量，以及進行相應的校準,最終得到的結論是：測量范圍在2厘米到5米左右，并且2米到5米以內有較高的測量精度，最大誤差在3厘米。總體來說,各部分功能穩定，該測距儀還是達到了有效的測距功能和目的。通過多方面的分析，造成本設計不足的原因主要有以下幾點：A：電路之間的干擾較大。B：超聲波在介質中傳播時會受到衰減。C：溫度對測距儀的功能有影響，在某些溫度下超聲波測距儀的測距功能還不能達到。

由于時間有限，并且超聲波測距儀本來就很難達到中遠距離的測，但是在以后可以通過更多的時間去不斷地研究，盡可能的增大它的測量范圍，如提高驅動超聲波傳感器的脈沖電壓幅值，使電/聲轉換更以達到一個更好而水平，從而使發射超聲波的能力更強；另外還可以對電路不斷進行完善，以減少信號線之間的相互干擾等。

超聲波測距儀是一種十分新穎的被動式的超聲波探測器，可以有效的探測出前方物體的距離，其成本低，操作簡單，作為一種無損檢測技術，為我們的工業帶來極大的效益，并且它還有許多潛在的發展空間，在未來必將并擁有寬闊的前景。